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人们所熟知的热功当量展示了通过做功与热传递能够达到同样的效果。都能够使物体的温度升高或降低。实际上,热传递是通过微观层面的粒子之间的做功实现;而热能转化也是通过微观层面的粒子之间的做功实现。
功是能量的一种体现形式,能量是物质改变其他物质运动状态或摆脱束缚的能力。而这种能力需要通过做功的过程得以展现。所有的能量传递与能量转化都必须通过做功来实现。做功必然表现为能量传递与转化;而能量传递与转化也必然伴随着做功。
1能量传递必做功18世纪,人们对热本质的研究走上了一条弯路,“热质说”在物理学史上统治了一百多年。直到英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳为最终解决这一问题指出了道路。
1847年,焦耳设计了思想巧妙的实验:在量热器里装水,中间安上带有叶片的转轴,然后让下降重物旋转叶片,叶片和水的摩擦生热而使水和量热器都变热。根据重物下落高度计算机械功,根据量热器内水升高的温度,计算水的内能升高值,进行比较,求出热功当量的准确值。
实际上,所有的热量传递都是通过不同形式的做功完成,没有例外。
热的传导与对流比较好理解,因为有显态粒子参与,通过粒子间相互作用,能量从高温物体传向低温物体,粒子间的相互作用伴随着做功。而对于热辐射,相对难以理解。
所有的显态粒子都沉浸在场态粒子的海洋中。场态粒子与显态粒子不断相互作用,相互诱导振荡并通过交换虚拟粒子传递能量,这样就形成了热辐射。
场态粒子能够不断诱导核外电子跃迁到其他轨道,核外电子不断诱导场态粒子成为瞬时振荡场态粒子。显态粒子对场态粒子做功,场态粒子成为瞬时振荡场态粒子,由球型成为椭球型;振荡场态粒子诱导其他场态粒子,振荡场态粒子对外做功,由椭球型变为球型;而被诱导的场态粒子同时由球型成为椭球型。能量伴随着场态粒子间交换虚拟粒子的不断相互作用,以电磁波的形式此起彼伏地传递,每一次场态粒子传递虚拟粒子,都伴随着一个粒子对另一个粒子做功,能量以做功的方式不断传递。一旦遇到显态粒子,振荡场态粒子诱导显态粒子的核外电子跃迁,场态粒子对显态粒子做功。椭圆型的场态粒子对外做功,变成圆型,同时显态粒子的核外电子被做功后向外跃迁。
显态粒子与场态粒子间,以及场态粒子间不断相互作用,通过交换虚拟粒子相互做功。
没有显态粒子时,场态粒子自身也会热辐射,这样就形成了宇宙微波背景辐射,是唯一一种无法屏蔽的热辐射形式。
总之,能量传递是改变物质运动状态或摆脱束缚能力的展示过程,而这种能力只能通过做功过程展现出来。任何形式的热量传递,一定伴随着物质间的做功,包括显态粒子间、显态粒子与场态粒子间,以及场态粒子间的相互作用。能量传递的本质是通过做功的方式使粒子间的动能与势能相互转化,通过粒子间的相互作用与做功实现能量传递。物质是能量的载体,也是能量的受体,没有物质间的相互作用,能量无法传递。任何能量都是通过做功的方式传递。
2能量转化必做功自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应:物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷的运动具有电能、原子核内部的运动具有原子能。
但任何形式的能量归根结底必然是物质的动能或势能。能量转化意味着物质携带能量的方式发生变化。通过粒子间的相互作用,锁定或半锁定粒子。使粒子的运动速度变化或粒子间距变化。只要物质携带能量的形式发生转变,必然伴随着粒子的运动速度或间距发生变化,也必然伴随着粒子锁定或被解锁。
最简单,也是最底层的能量转化是动能与势能的转化。无论动能转化为势能,还是势能转化为动能,必然伴随着相互作用与位移,就必然带来做功,这也是能量改变物质运动状态和摆脱束缚能力的直接体现。
能量以多种不同的形式存在,核能、机械能、化学能、热能、电能、辐射能、光能、生物能等能量的转化也都是通过粒子的动能与势能的相互转化实现的。
一些能量转化通过场态粒子的对称性破缺程度变化实现,还有一些能量转化是通过显态粒子的能级变化实现的,另外还有一些能量转化通过断键与键合的方式实现的。化学键和中子键都是通过粒子间共用电子形成的,粒子通过锁定或解锁的方式,间距发生变化,自由粒子被锁定或锁定粒子轨道跃迁或被解锁成为自由粒子。实现了能量的转化,而这种过程都伴随着做功。
无论是解锁还是锁定,无论轨道跃迁还是成为自由态,无论速度增大还是减小,无论是距离增大还是减小,必然伴随着粒子间的相互作用,也必然伴随着做功。
总之,能量转化也是改变物质运动状态与摆脱束缚能力的展示过程,而这种能力只能通过做功过程展现出来。能量转化通过粒子规律对称性破缺程度变化、粒子能级变化与断键键合实现。各种形式的能量最终都归结于物质的动能或势能。不同形式的能量之间可以相互转化,间距和速度发生变化,以不同的方式来携带能量,但无论怎样变化,都一定伴随着做功,做功是能量的能力展现过程。
3做功能量必传递与转化做功的两个必要因素:作用在物体上的力和物体在力的方向上通过的距离。
还有一些能量体现为物质之间的间距与相互作用,这就是大家熟知的势能。不同形式的能量之间可以相互转化与传递。传热必然伴随着做功,同时,做功必然伴随着能量传递。
从能量角度看,物质的宏观运动与微观运动是一样的。从做功的角度看,物质的宏观运动与微观运动也是一样的。
物体间的力是相互的、相对的,而物体间的运动是相互的、相对的。因此做功必然伴随着能量的传递。
从本质上看,做功就是能量转移或转化的过程。能量无论怎么转移或转化,都是等价的。只要做功,就意味着能量的传递。
功是能量改变物质运动状态或摆脱束缚能力的展现过程,更是能量实现其能力的唯一手段。
不做功,能量的能力无法得以展现。无论是宏观层面的做功,还是微观层面的做功,最终都体现在粒子之间的作用力。粒子通过相互诱导振荡而相互作用,进而使能量得以传递。
在做功的过程中,粒子间的相互诱导振荡必然伴随着粒子动能与势能的相互转化。显态粒子往往通过核外电子的轨道跃迁后者键合与断键实现能量的传递与转化;场态粒子通过电偶极矩的变化实现能量的传递与转化。
总之,做功过程是能量的能力展现过程。在宏观的层面上,能量传递与转化有显著的差别;然而在微观层面上,两者并没有本质的差别,均是通过动能与势能的不断转化实现能量的传递与转化。能量的传递与转化均是通过粒子的做功实现,而做功必然带来粒子动能与势能的转化与传递。
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