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第五节 质量、动量和能量 一、质量、动量和能量 在牛顿力学里，质量和能量是两个完全不同的量。“质量”表示物质的多少，能量是物质运动的量度。 质量是对物质的量化，速度是对运动的量化。运动的物质就同时包含有质量和速度，而动量mv和动能1/2mv的公式中正好包含有且只包含有质量和速度，因此，动量和动能都是对运动物质的量化。也就是说，动量和动能是从不同的角度来度量物质的运动。 质量是物质的多少，速度是物质运动的快慢，它们都是物质的属性。同样地，动量和动能也是物质的属性。物质是动量和动能的载体，动量和动能是物质的属性。动量和动能都不能脱离物质而独立存在。 动能是可以转化成其它能量的，因此，各种能量都是等价的。也可以这样说： 物质是能量的载体，能量是物质的属性。能量不能脱离物质而独立存在。 二、动量和能量的区别 既然动量和能量都是度量物质的运动，为什么要用两个物理量来描述同一物质的运动呢？ 这是因为动量和能量有一个根本性的区别：动量是一个矢量，而能量是一个标量。在直线运动中，既可使用动量公式，也可使用能量公式；在转动过程中，运动的方向时时在变化，只好使用角动量公式和能量公式；而在分子热运动的过程中，分子的运动方向是随机的和不确定的，在这里只能使用能量公式而不能使用动量公式了。 简单地说，在既要弄清物质运动的方向又要弄清物质运动的大小时，使用动量公式；在无须弄清物质运动的方向仅要弄清物质运动的大小时，使用能量公式。 三、动量和动能的关系 在动量公式P=mv中，如果把v看成是连续的，那么动能E就是动量对速度的积分 反过来， dE=d(1/2mvv)/dv=mv 动量是动能对速度的微分。 由此我们得出结论：动量和动能的关系是微分和积分的关系。 四、质量、动量和能量的守恒定律 质量、动量和能量都有它们对应的守恒定律。 1756年俄国化学家罗蒙诺索夫把锡放在密闭的容器里煅烧，锡发生变化，生成白色的氧化锡，但容器和容器里的物质的总质量，在煅烧前后并没有发生变化。经过反复的实验，都得到同样的结果，于是他认为在化学变化中物质的质量是守恒的。但这一发现当时没有引起科学家的注意，直到1777年法国的拉瓦锡做了同样的实验，也得到同样的结论，这一定律才获得公认 人们后来发现，不仅化学变化中物质的质量是守恒的，在任何变化中物质的质量都是守恒的，物质既不能凭空产生也不会凭空消失。这就是质量守恒定律。 一个系统不受外力或者所受合外力为零，这个系统的总动量保持不变。这就是动量守恒定律。 近代的科学实验和理论分析都表明：在自然界中，大到天体的相互作用，小到质子、中子等基本粒子间的相互作用都遵守动量守恒定律． 能量守恒定律是建立在自然科学发展的基础上的，从16世纪到18世纪，经过伽利略、牛顿、惠更斯、莱布尼兹以及伯努利等许多物理学家的认真研究，萌发了机械能的转化和守恒的初步思想，能量守恒定律的最后确定，是在19世纪中叶由迈尔，焦耳和亥姆霍兹等人完成。 当运动形式发生变化或运动量发生转移时，能量也从一种形式转化为另一种形式，从一个系统传递给另一个系统。在转化和传递中总能量始终不变。这就是能量守恒定律。 五、质能互变吗？ 质量和能量的单位是不同的。质量可以转化为能量这一提法极为不妥，它引起概念上的混乱，就象1公斤可以转化几米一样混乱。 实际上，物质是由分子组成，分子又是由原子组成，原子由质子、中子和电子组成，质子、中子和电子又由更小粒子组成，物质是无限可分的。根据目前所掌握的资料，物质的层次越小，其运动的速度也越快。于是物质所具有的内能并不是固定的，而是与其层次有密切关系。所考虑物质的层次越小，其内能越大。物质释放能量的多少，与物质从哪个层次上释放能量有关。随着某个层次物质的逃逸，它必然会带走一定的能量。因此，不是质量转变为能量，而是随着运动物质的逃逸带走了物质的内能。物质的减少是物质的逃逸，而不是物质的消灭。一般地，任何能量的释放，都必然伴随着物质的运动。有时候，由于物质太小，这种逃逸的物质不能被人们探测到，被误认为是物质变成能量。 因此，质能关系式中的能量，充其量只不过是物质在核反应这一层次中，以光的速度带走能量，决不能作为一般规律。质能关系式不是永远成立的。因为它不能解释类星体爆发的能量，这种不可思议的能量已经被人们所观察到。类星体爆发的能量，可以用物质从更深层次释放能量来解释。 质量是能量的载体，能量是质量的属性。质量只能转化为质量，能量只能转化为能量，质量和能量不能相互转化，决不能把它们混为一谈。 六、奥斯特瓦尔德的唯能论 历史上，奥斯特瓦尔德创立了“唯能论”，反对唯物论。他认为“能量”是万物的本源，能量是万物的本质。提出能是唯一实体，物质不过是能的表观形式，是各种能量的空间集合。这个观点否认原子和分子的客观性。 他说：“为什么钟能走动呢？这因为他们每星期要给钟上一次发条。可是等这发条松了，钟也就不走了，而发条照旧还在钟里呀。可见不是发条，而是藏在发条里的另一种东西使钟走个不停，这就是能量。” 在一次自然科学家的会议上，他发表了《克服科学的唯物论》的讲演，立刻遭到了著名科学家普朗克和玻耳兹曼的反对。他的这种“唯能量”的观点，受到许多著名化学家的激烈批评。 尽管奥斯特瓦尔德后来自己认识到唯能论是错误的，勇敢地加以改正，并在1908年最终皈依了科学原子论，承认了原子和分子的现实存在，但唯能论的历史影响是深刻的。 有些人至今不顾物质是能量的载体，能量是物质的属性，能量不能脱离物质而独立存在的道理，仍然持有这一观点。 七、关于热寂说 在克劳修斯的晚年，他不恰当地把热力学第二定律引用到整个宇宙，认为整个宇宙的温度必将达到均衡而不再有热量的传递，从而成为所谓的热寂状态，这就是克劳修斯首先提出来的“热寂说”。热寂说否定了物质不灭在质上的意义，而且把热力学第二定律的应用范围无限的扩大了。 抬头看看宇宙里的点点繁星，特别是太阳，就会发现其热运动的场面极其壮观激烈。再低头看看地球上的勃勃生机，更是一派欣欣向荣的景象。这里根本没有半点热寂的影子。这是对热寂说的最好否定。 热寂说其实仅看到散热的一面而没有看到发热的一面。太阳、火、电灯和摩擦都会发热，如果只看到每一个人都会死，就得出人类会灭亡，这肯定是错误的。因为人有生有死，生的人越来越多，寿命也越来越长。热寂说正是犯有同样的错误。 散热是热的转化而不是热的消灭。例如，植物通过光合作用把太阳能转化为化学能，这些已转化的化学能再不受热力学第二定律的制约，受热力学第二定律的制约的仅有热能。植物果实内的化学能在人体内又转化成热能，能量虽然转化来化转去，但它是守恒的，不生不灭。于是，热也可以转化去转化来。就是说，永远也不会热寂。 热的传递可以看成是热能从集中到耗散，从有序到无序，从高值到低值。也就是说自然界的自发过程是系统从概率较小的有序状态向概率较大的无序状态的过渡，平衡态即具有最大概率的最无序的状态。 不过，热力学第二定律所言的演化方向似乎与达尔文生物进化论所言的演化方向正好相反。前者断言自然物质中存在着从有序到无序，终结于最大无序状态的演化趋势；后者指出生命系统中存在着的是从无序到有序的过程。 即使在无生命的物质系统中, 依然存在着从耗散到集中、从无序到有序的过程。很简单地，随着温度的降低，水蒸气凝结成水，水凝固成冰就是从耗散到集中，从无序到有序的过程。 更特殊地，恒星无疑是在不断地发光发热的，恒星的光和热是从那里来的呢？我认为，在我们宇宙中存在很多小层次的暗物质，暗物质肯定具有暗能量，这些暗物质在通过恒星的时候受阻碍变慢而凝结成原子氢。化学性质极为活泼的原子氢可进行一系列的核反应放出巨大的暗能量，从而使恒星发光发热。恒星灭亡时会分裂成多个小的碎块，每个碎块又可以孕育成一颗新的恒星。 不难理解，物质层次是无限的，不同物质层次之间可以相互交换物质和能量，因此，从集中到耗散、从有序到无序的过程和相反的过程不仅是存在的，而且是无限的。只看到其中一个过程是片面性的，对这两个过程都进行分析才是全面的。 |