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试论能量的本质及其意义

作者:彭晓韬

日期:2018.08.25

[文章摘要]:能量是物理学中最常见的专用名词,但对能量的本质的认识仍然存在诸多争议和误区。本文拟对能量的本质进行深入的探讨,并在此基础上阐述其物理意义。同时,利用对温度和热量本质含义的阐述,应用到对水相变时的温度与热量相关性异常和太阳外部各层温度分布异常进行了的解释。

在重新审视普朗克黑体辐射公式二种形式(频率、波长分别与能量强度的关系式)的差异基础上,重新推导了黑体温度与辐射强度峰值所对应的频率间的关系式,并利用此关系式计算了太阳表面的温度为9932.78℃,而不是维恩定律计算的5522.85℃。还对人造地球卫星表面温度不均匀的原因进行了探讨。

导 读

1、能量的本质是由带质量的客观实体承载的、不能独立存在的物质的物理属性之一;

2、能量的传递实质上是客观实体间通过直接或间接的相互作用,使运动速度低的客观实体运动速度增加的同时自身的运动速度降低的过程;

3、能量的转换实质上是客观实体内部结构的重组和运动方式的改变过程;

4、能量主要以动能形式呈现,而动能与运动速度的平方成正比,运动速度又与参照系直接相关。因此,能量与参照系相关。即:不同的参照系中,同一客观实体的能量并不相等;

5、能量守恒定律只有在稳定的万有引力和电磁场环境条件下的惯性参照系中才能成立;

6、温度的本质是客观实体平均热运动程度的量度。但目前多以客观实体辐射峰值对应的辐射频率(以下称作“辐射主频”)与客观实体温度间的关联性进行计量。在客观实体为非黑体时,两者可能存在一定的偏差(热运动的平均值与辐射主频之关联性是否在非黑体辐射条件下也成立);

7、太阳的光球层与日冕层的温度异常现象可能是由于其等离子体密度、离子自由度、电磁环境的不同导致热运动平均速度存在差异,并导致辐射主频出现明显差异所致;

8、利用普朗克定律的辐射主频与黑体温度的关系式计算太阳的表面温度远高于维恩定律的计算值,其原因在于维恩定律推导中使用的普朗克定律公式可能存在错误(能量密度与波长关系式的分母多了λm的平方)。

一、能量的定义

能量(energy)是物质的时空分布可能变化程度的度量,用来表征物理系统做功的本领。能量以多种不同的形式存在;按照物质的不同运动形式分类,能量可分为机械能、化学能、热能、电能、辐射能、核能、光能、潮汐能等。这些不同形式的能量之间可以通过物理效应或化学反应而相互转化 。各种场也具有能量。能量的本质是物理意义上四维空间度量的一个物理量,类似的还有三维空间度量的物理量--动量,以及二维空间度量的物理量--质量等等。它们都是物质在不同维度所表现出来的物质属性。

能量是物质运动转换的量度,简称“能”。世界万物是不断运动的,在物质的一切属性中,运动是最基本的属性,其他属性都是运动的具体表现。能量是表征物理系统做功的本领的量度。能量是用以衡量所有物质运动规模的统一量度[摘自《百度百科》]。

二、能量的形式

能量可分为机械能(动能和势能)、化学能、热能、电能、辐射能、核能、光能等。

1、动能

动能是物体由于作机械运动而具有的能。

k=0.5mv2 其中:Ek为动能、m为质量、v为速度

2、势能

典型的势能有重力势能、引力势能、弹性力势能。

3、化学能

物质发生化学变化(化学反应)时释放或吸收的能量。

4、电能

正负电荷之间由于电力作用所具有的(电)势能。

5、辐射能

指光和电磁波的能量。

6、核能

原子核内核子的结合能,它可以在原子核裂变或聚变反应中释放出来变成反应产物的动能。

三、能量的特点

1、质量的作用

机械能(动能和势能)、核能均与物质的质量有关。

机械能包含动能和势能均与物质的质量有关,也就是说:只有具有质量的物质才可能具有动能和势能;

核能是物质中原子核发生裂变或聚变反应而致使反应产物获得巨大运动速度向核外运动而产生强大的动能。因此,也与物质的质量有关。

综上所述,带质量的物质才是能量的载体,也是能量转换和传递的媒介。

2、电荷的作用

化学能、电能、辐射能和核能均与物质的带电量,即电荷有关。

化学能是两种物质经化学反应后构成新的物质,在此过程中,两种或两种以上的元素的外层电子发生运动方式和运动区域的变化,从而导致自身和周围其他物质运动状态的变化;

电能是物质中电子的定向运动导致其周围空间的磁场和电场发生变化,从而导致自身和周围其他物质运动状态的变化;

辐射能是物质中电子和原子核运动状态发生有规律性的变化过程中,使其周围空间的电场和磁场均随时间变化,从而导致自身和周围其他物质运动状态的变化;

在原子核发生裂变或聚变反应过程中一般也伴随着带电粒子的的产生、消亡和运动状态的巨大改变,从而导致原子核周围空间的电磁场发生巨变,从而导致自身和周围其他物质运动状态的改变。

综上所述,电荷的作用是带电物质改变其所在位置附近的电磁场,进而导致自身和周围带电体的运动状态的改变。从宏观上看,这种作用就像把带电体物质的动能转移到了附近的其他物质而发生能量交换作用。但从本质上讲,仍然是带质量的物质运动状态的改变才导致能量的传递现象的发生。电荷本身并不具备能量的基本属性和特性,也不是能量的载体。

3、运动的作用

无论动能、势能、化学能、电能、辐射能和核能均与带质量或/和带电荷物质的运动有关。

动能无疑是直接与带质量物质宏观运动有关的能量;

势能也是与带质量物质空间位置的改变从而导致自身运动趋势和能力的改变有关的能量;

化学能是带质量的物质内部微观世界的原子、分子的运动方式的改变直接相关的能量;

电能和辐射能均是带质量并带电的粒子的运动导致周围带电体所在位置的电磁场改变而致使其运动状态改变的能量;

核能是带质量的原子核发生裂变或聚变过程中,构成原子核的质子和中子等基本粒子的运动状态发生改变,从而导致能量的变化。

综上所述,当带质量的物质发生宏观或微观运动时,将导致能量的变化、转化和传递。

4、参照系的作用

凡是与运动速度和空间位置有关的能量,如动能、势能、化学能、电能、辐射能和核能的量值均与参照系有关。同一物质在不同的参照系中的同一时刻所具有的能量值是不相同的。如:在某一参照系中相对静止的物体,其动能为0;而在另一相对此参照系作匀速直线运动的参照系中,该物体的动能就不为0。

四、能量的本质

从以上分析可知:无论是哪种能量,均与带质量和电荷的物质密不可分。再进一步细究就会发现:其实电荷在能量中的作用很有限,虽然在微观世界中电荷的作用远大于万有引力的作用。无论是万有引力使带质量的物质发生运动状态的变化而获得动能或势能的变化,或电场使带电且带质量的物质的运动状态发生变化而获得动能或势能的变化,或磁场使带磁性且带质量的物质的运动状态发生变化而获得动能或势能的变化,还是化学反应致使带质量的原子或分子结合状态发生变化而导致物质的动能或势能的变化,或核裂变/聚变反应使带质量的原子核的结构发生变化而导致物质的动能或势能的变化等,其最关健的要素是物质必须带有质量才能有动能和势能的变化。因此,能量的本质是带质量物质维持及改变运动状态和空间位置能力的量度。也就是说:没有质量就没有能量。只有有质量的物质才是能量的载体,也才能成为能量传递与转换的载体。

五、能量的再认识

由以上论述可知:能量必须由带质量的客观实体承载并在带质量的物质间相互传递。同时,能量的传递往往是运动速度大的物质把动能传递给运动速度小的物质,并使两者能量趋同的过程。如:高温物质使低温物质温度上升同时使自身的温度降低的过程,就是高温物质的原子或分子的运动速度大于低温物质原子或分子的运动速度,当使高温物质的分子或原子与低温物质的原子或分子发生直接接触时,就会形成弹性碰撞类的作用,使速度低的分子或原子速度上升,同时使速度高的原子或分子速度下降。如果两种物质非直接接触且两者间没有中间媒介(真空)时,高温物质发出的电磁波比低温物质发出的电磁波频率更高,高频率的电磁波将使低温物质的原子或分子的振动频率上升,而低温物质发出的低频率的电磁波将使高温物质的原子或分子的振动频率下降。双方相互作用的结果将达到一个平衡状态——温度趋于相等,也就是两者的电磁波的频率也趋于相同。这就是高温物质把热量传递给低温物质并使温度趋同的过程,但其中的热量并不是一种粒子,热量只是物质中原子或分子的热运动大小的量度,也是物质动量的一种表述形式而已。又如:宏观物体间的碰撞,运动的速度快的物体与运动速度慢的或静止的物体碰撞以及两相向运动的物体碰撞时,无论是完全弹性碰撞还是非完全弹性碰撞,总是运动速度大的物体使运动速度小的物体的运动速度提高,而自身的速度降低或停止运动或反向运动。

由以上分析,我们可总结出如下几个能量的要点:

1、一切能量的载体必须是带有质量的物质,不带质量的物质不能成为能量的载体。

2、能量的传递均是由运动速度大的能量载体传递给运动速度小的能量载体。

3、能量转换实质上是物质内部结构与运动方式的重组过程。

六、对能量认识的几个常见错误

1、纯能量说的错误

1.1、暗能量说:有一种观点认为:宇宙的总质量(100%)≌(重子+轻子)(4.4%)+热暗物质(≤2%)+冷暗物质(≈20%)+暗能量(≈74%)。其中的暗物质为不能与电磁场发生相互作用但能与万有引力发生作用的物质;而暗能量则为即不能与电磁场发生相互作用也不能与万有引力发生相互作用的物质,但也具有质量。我们知道:具有质量的物质的基本特性有二:一是具有惯性作用能力,即在无外部作用力或外部作用力总和为0时,能保持自身运动状态不变的能力;二是具有万有引力作用的能力。但暗能量是不产生万有引力而是产生万有斥力,使宇宙发生膨胀而不是收缩的作用。而目前天文观测得到的天体红移量与到地球的距离成正比的结果被错误地解读为宇宙膨胀或加速膨胀的依据明显存在错误:天文观测得到的天体红移量并不是唯一地证明天体远离地球的速度与天体到地球的距离成正比(详情可参见http://blog.163.com/pxt1961@126/blog/static/29843179201829113633640本人的博文《揭秘河外天体红移真像的途径初探——多因素分析法在天体光谱红移中的应用》)。

1.2、场能量说:

有一种观点:万有引力场或重力场、电磁场均为能量场且存在能量密度。也就是说:在带质量或带电物体的周围空间的任意点上均存在着万有引力能或重力能或电磁能。这种观点存在一个明显的错误:由于万有引力和电磁力是远程力,一个点质量或电荷可在整个宇宙空间中任意空间位置上均产生万有引力或电磁力,是否我们可以说:一个点质量或电荷的能量分布于整个宇宙空间呢?万有引力和电磁力均为可以进行矢量叠加的力,当两个或两个以上的点质量或电荷在同一时刻同一空间位置上的万有引力或电磁力相互抵消时,是否我们可以说:万有引力能和电磁能可以相互抵消而消失呢?

2、能量守恒定律的真实性

能量守恒定律(energy conservation law)即热力学第一定律是指在一个封闭(孤立)系统的总能量保持不变。其中总能量一般说来已不再只是动能与势能之和,而是静止能量(固有能量)、动能、势能三者的总量。可以表述为:一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。总能量为系统的机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和。如果一个系统处于孤立环境,即不可能有能量或质量传入或传出系统。对于此情形,能量守恒定律表述为:“孤立系统的总能量保持不变。”能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到其它物体,而能量的总量保持不变[摘自《百度百科》]

那么,能量守恒定律是否真的成立的呢?我们先来探讨一下单个物体的动能问题吧。

按照动能的定义:物体的动能等于质量与速度平方乘积的一半。那么,对于一个原子,如氢原子而言,其动能应该等于电子和原子核的总质量与其运动速度的平方乘积的一半。但问题是:电子和原子核的运动速度有多个,甚至是无数个(相对不同的参照系而言):

2.1、动能因研究范畴不同而异

在不考虑原子所处空间位置的万有引力场和电磁场的情况下有:原子速度(电子和原子核构成的原子整体上在不同参照系的运动速度),电子速度(电子围绕原子核运动的运动速度),原子核速度(原子核围绕原子质心运动的速度),质子和中子速度(原子核内中子与质子的运动速度),质子和中子内夸克的运动速度(核裂变释放出α、β射线且运动速度惊人,说明在未裂变前,其运动速度并非为0,应该是在以不低于裂变后出射速度运动的(裂变过程是使其减速而不是加速的过程))等;

若考虑原子所处空间位置的万有引力场和电磁场(特别是变化的电磁场和原子周围其他原子的不断运动导致原子所在空间位置的万有引力场及电磁场随时间变化)的情况下有:在变化的万有引力和电磁力的作用下随时间变化的整体速度、电子速度、原子核速度、原子核中质子和中子速度、构成质子和中子的夸克速度等。通常情况下原子或分子的整体运动表现在热运动——一种看似杂乱无章的运动,物体的温度越高,热运动越剧烈。

既然一个由原子或分子构成的物体有许多种速度,那么其动能是不是也存在许多个数值呢?这应该是不言而喻的事情了。同时,同一物体在不同参照系中的运动速度也是不同的,其动能当然也就不同了。

2.2、动量和动能非标量性

由于动能与运动速度直接相关,但运动速度为矢量而非标量。因此,动能自然就为非标量了。如:两个质量(m)相等但运动速度(v)相等但方向相反的物体发生完全弹性碰撞时,则有:

假设碰撞后的速度为v1、v2

动量守恒:mv-mv=mv1+mv2 (公式1)

能量守恒:0.5mv2+0.5mv2=0.5mv12+0.5mv22 (公式2)

据(公式1)有:mv1+mv2=0;v1+v2=0;v2=-v1  (公式3)

据(公式2)有:2v2=v12+v22; (公式4)

将(公式3)代入(公式4)有:v2=v12 因此有:

v2=-v1=v (公式5)

由(公式5)可知:完全弹性碰撞前后的动量和动能均是守恒的。即在碰撞前和碰撞后的总动量和总能量分别为:0和mv2

我们更换一个参照系再来分析上面的案例:在相对其中的一个物体静止的参照系中,该物体运动速度为0,而另一个运动速度为2v(不考虑所谓相对论效应时),则上述(公式1)~(公式5)应修改为:

动量守恒:2mv=mv1+mv2 (公式1′)

能量守恒:2mv2=0.5mv12+0.5mv22 (公式2′)

据(公式1′)有:v1+v2=2v; v2=2v-v1  (公式3′)

据(公式2′)有:2v2=0.5v12+0.5v22; (公式4′)

将(公式3′)代入(公式4′)有:v1(v1-2v)=0; 因此有:

v1=0、v2=2v 或 v2=0、v1=2v  (公式5′)

由(公式5′)可知:完全弹性碰撞前后的动量和动能均是守恒的。即在碰撞前和碰撞后的总动量和总能量分别为:2mv和2mv2

在相对两个相向运动的物体等速参照系中,动量总和为0,动能总和为mv2;而在相对其中一个物质静止的参照系中,动量总和为2mv,动能总和为2mv2。即总动量由0变为2mv,而总能量由mv2变为了2mv2

由此可见:同一系统的能量与动量并不是固定不变的,是与参照系相关的

又例如:一个质量为m的物体以速度v1作圆周运动的同时还以速度v2作匀速直线运动,如下图一所示:则为图中A、B、C、D四个位置上时,其动量和动能应分别为:

A位置时:P=m(v2-v1) Ek=0.5m(v2-v1)2 ;

B位置时:P=m(v22+v12)1/2  Ek=0.5m(v22+v12) ;

C位置时:P=m(v2+v1) Ek=0.5m(v2+v1)2 ;

D位置时:P=m(v22+v12)1/2 k=0.5m(v22+v12) ;

由以上分析可知:在作圆周运动的同时作匀速直线运动的物体,虽然其仅受到不作功的向心力的约束,但其能量仍随时间或空间位置的不同而变化。也就是:我们不能把物体圆周运动的动量和直线运动的动能直接相加,而是要进行速度合成后再计算其动能

2.3、合成速度情况下的动能

任何特定物体的运动速度的大小与方向与观察者或观测装置所在的参照系直接相关。因此,与物体运动速度直接相关的动能也与参照系直接相关。也就是说:任何特定物体的动能并不是物体本身所具有的属性,而是与观测装置与物体间的相对运动有关。

如:在运动的飞机或火车上的乘客,相对飞机或火车静止时,其动能为0。但相对地面而言,其动能就不为0了,而是与飞机或火车的运动速度的平方与乘客自身体重相关了。若乘客体重为m,飞机或火车相对地面的运动速度为v,乘客在飞机或火车上的运动速度为u时,则在飞机或火车上,此乘客的动量为:0.5mu2。但相对地面时,其动量则为:0.5m(v+u)2

由于观测装置相对物体的运动速度可为任意值(暂不考虑是否可大于光速C),由此就可得出:特定物体的运动速度就是相对观测装置的运动速度,而观测装置可以有任意多个且其相对物体的速度也有任意多个,因此,每个观测装置所测得的物体动能也不相同,也有任意多个动能值

2.4、动量的方向性

虽然在计算物体的动量时可以不考虑其运动方向,但物体的动量是存在方向性的,其方向与运动方向相同。所以,在桌球运动中两只桌球相撞瞬间,如果被撞击的球的质心不在与运动球的质心运动线方向上时,则被撞球与撞击球将分别向不同的方向运动。如下图二所示:

假设运动球和被撞球的质量均为m、碰撞前运动球的速度为v1;碰撞后运动球的速度为v2、被撞球的速度为u、运动球运动方向改变角度为α、被撞球运动方向与运动球撞击前运动方向间夹角为β。则有:

A、动量为矢量时

动量守恒:水平方向:mv1=mv2cosα+mucosβ v1=v2cosα+ucosβ (公式6)

垂直方向:0=mv2sinα-musinβ 0=v2sinα-usinβ (公式7)

动能守恒:0.5mv12=0.5mv22+0.5mu2 v12=v22+u2 (公式8)

由(公式7)可知:v2=usinβ/sinα 代入(公式6)可得:

u=v1sinα/(sinβcosα+sinαcosβ) v2=v1sinβ/(sinβcosα+sinαcosβ)

将u和v2代入(公式8)可: tgα=ctgβ 进而可得:α+β=900

当α=450时,有:β=450 u=v2=v1/21/2

因此,碰撞后的总动量为:P=2mv1/21/2≈1.414mv1且大于碰撞前的动量mv1。也就是说:要确保能量守恒,就不能保证总动量守恒!只有在将动量视为矢量并进行矢量叠加与分解的条件下,才能保证碰撞前后的不同方向上的动量守恒。

B、动量为标量时

动量守恒:mv1=mv2+mu v1=v2+u (公式6/

动能守恒:0.5mv12=0.5mv22+0.5mu2 v12=v22+u2 (公式8/

由(公式6/)可得: u=v1-v2 代入(公式8/)可得:

V2=0 或V2=V1 则有:u=V1 或u=0

因此,在将动量视为标量而非矢量时,要使动量守恒和动能守恒同时成立,则只有在两个物体正面碰撞且运动球撞击后成为静止球,而静止球成为运动球时才能成立。而如同桌球中两球相撞时一样,撞击后两球的运动状态有无数多种,为保持动量和动能守恒,动量就不能为标量,必须为矢量。

当将动量视为矢量时,非正面完全弹性碰撞时,碰撞前后的总动量是不相等的,一般碰撞后的总动量会大于碰撞前的总动量!

综上所述,能量守恒定律必须且只有在特定的参照系和封闭系统中以及特定的研究对象与范畴时才能成立。

2、热量与温度的真实含义

2.1、温度:是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。从分子运动论观点看,温度是物体分子运动平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现,含有统计意义。对于个别分子来说,温度是没有意义的。[摘自《百度百科》]。

2.2、热量:是指当系统状态的改变来源于热学平衡条件的破坏,也即来源于系统与外界间存在温度差时,我们就称系统与外界间存在热学相互作用。作用的结果有能量从高温物体传递给低温物体,这时所传递的能量称为热量。热量和功是系统状态变化中伴随发生的两种不同的能量传递形式,是不同形式能量传递的量度,它们都与状态变化的中间过程有关,因而不是系统状态的函数。[摘自《百度百科》]。

2.3、温度与热量的关系

2.3.1、水在不同状态下的温度与吸(放)热量关系

从上表可知:温度与物体吸收或放出热量并不存在线性(即非单值函数)关系,主要是在物体状态变化过程中,在水由固体转变为液体或由液体转化为固体时,以及水由液体转化为气体或由气体转化为液体时,其吸收或放出一定的热量的过程均不会导致温度的变化

2.3.2、近太阳太空中太阳风和物体温度

我们知道:太阳表面光球层温度大约为6000°C(可能有误,下文详述),而日冕的温度可以达到100~200万℃。而位于太阳不同距离上的物体的温度一般均不同。如:地球附近外太空中的卫星,受太阳光照射的一侧的温度在200℃以上,而另一侧的温度又在零下200℃以上。而据帕克太阳探测器项目组推测:位于太阳表面600万千米处时,太阳光照部分的探测器表面温度在1400℃左右。

长时间处于数十甚至上百万度的太阳风中的物体(卫星和探测器)的温度为什么始终不能与太阳风的温度相同而达到热平衡呢?

2.3.3、温度的真实含义

A、只有有形物质实体才能有温度,物质所具有的电磁、万有引力等附属特性以及真空是不存在温度的;

B、温度是一定数量的物质实体的热运动平均水平的表达,单个基本粒子或原子、分子的温度是无意义的;

C、物质辐射与温度的关系

根据物体辐射的峰值与温度的相关性,可对普朗克黑体辐射公式进行求导得到温度与辐射峰值频率的关系式:

以上的(公式13)没有物理意义,我们暂不作讨论。

由(公式14)可得:

由(公式15′)可知:黑体的温度是与其辐射强度最大值所对应的频率νmax的值成正比的。同时说明:当温度趋于0时,黑体辐射也应该趋于0。因此,没有任何实体物质存在的真空中,即使是存在电磁场和万有引力场,其温度也为0,其辐射也应该为0。

D、太阳表面温度计算

太阳光谱能量分布曲线中峰值对应的波长为0.5μm、频率为6.0×1014Hz;代入(公式15′)可得:

太阳=1.700989×10-11×6.0×1014=10205.93(K)=9932.78(℃)

而根据维恩定律:T=b/λmax ,则有:

太阳=2.898×10-3/(0.5106)=5796(K)=5522.85(℃)

以上二种计算太阳表面温度的结果差距较。但经分析可能是维恩定律推导过程中使用了错误的普朗克黑体辐射公式所致。

由上图三可知:在推导维恩定律时使用的是图三中的(式C)。但若将图三中的(式A)代入(式B),则得到(式C′)如下:

公式16

对(公式16)按图四步骤进行推导即可得到辐射强度峰值对应的波长与温度的关系式,其结果应该与(公式15)相似(只需把辐射主频转换为辐射主波长)。

由此可知:目前人们常用的太阳表面温度5500~6000℃的数据应该与太阳的实际表面温度存在较大的偏差,除非普朗克黑体辐射公式与太阳表面辐射能谱观测数据并不存在相关性

2.3.4、热量的真实涵义

A、热量是物质间因热运动而从高温物体向低温物体传递能量大小的量度,但本质上是物体中分子或原子的运动速度的变化,即高温物体中原子或分子的运动速度高,低温物体中原子或分子的运动速度低,而运动速度包括热运动(无序运动)和定向运动、谐振运动等。因此,热量交换或传递的实质上是运动速度大的原子或分子与运动速度小的原子或分子相互碰撞时,两者的速度互换或速度快的变慢、而速度慢的变快的过程。从能量角度讲,就是动能高的原子或分子将部分动能传递给动能低的原子或分子,致使自身的动能降低,而被碰撞的低能量原子或分子动能提高的过程。当达到热平衡时,也就是原子或分子的动能或运动速度趋同了;

3、水在不同状态间转换时温度与热量关系异常的解释

上面我们探讨过水在不同状态间转换时,如:冰成水或水成冰、水成气或气成水时,其温度保持不变,但会吸收或释放大量的热量。按照一般物理规律:吸收热量时物体温度会上升,反之会下降。那为什么冰成水、水成气时,虽然0℃的冰吸收热量溶化成水,但此时水的温度仍为0℃。同样地,100℃的水吸收热量蒸发为100℃的水蒸气。这种异常情况可用以上对温度和热量的本质含义来解释:同样为0℃的冰或水,以及同样为100℃的水或水蒸气,因其内部水分子的热运动平均速度不同但辐射主频(辐射峰值对应的频率)相同。即无论是0℃的冰或水,其辐射主频基本不变,因此温度也不变。但因冰为固态,分子热运动的平均速度远小于液态水中的分子,因此其动能也远小于液态水中的分子。只有外来能量让固态冰中的分子获得足够的动能才能变成液态的水。同样地,100℃的水变为水蒸气的过程中也是如此。

4、太阳光球层与日冕温度异常的解释

太阳表面光球层温度大约为6000℃,而日冕的温度可以达到100~200万℃。这与一般物理规律不同,且温度差异如此之大的原因为何?目前没有比较理想的解释方法。其实,应用我们上面对温度与热量的本质含义就可以很好地解释此异常现象:一是密度差异的影响:光球层为气态的等离子体,但其密度远高于日冕层。因此,光球层中的等离子体中的粒子在热运动过程中易受到周边其他粒子的影响,致使其热运动速度远小于日冕层。二是离子间间距差异的影响:光球层因处于等离子体状态,其受到电磁场的作用时,带正电的离子与带负电的离子的运动方向相反,易产生互相碰撞而降低运动速度,同时电磁辐射也多被相互抵消,只有没有被相互抵消的辐射才能传递出光球层到达色球层和日冕层后再到达地球。而日冕层虽然也为气态的离子状态,但因密度小,与等离子体的差异较大,离子的相互碰撞机会比光球层小得多。因此被太阳自身的电磁场加速后,各类离子的速度可以达到相当高的速度,且其产生的电磁辐射也不易被相互抵消,更容易到达地球并被人们观测到。三是电磁环境的影响:光球层的电磁环境与日冕层应该有很大差异(光球层是不透明的而日冕层透明,说明电磁波无法穿越前者)。光球层因处于等离子态,总体上处于电中性状态,外部施加变化的电磁场时,在光球层外部会产生带电粒子的重新排列而形成电磁屏蔽层,致使外部变化的电磁场无法传递到内部深处。因此,光球层的电磁辐射主频不会受到外部电磁场的影响。而日冕层因离子密度小,外部电磁作用很容易传递到整个日冕层。四是电子运动状态不同的影响:光球层中正负离子混合成整体中性的等离子体,电子受到的带正电的离子的作用力几乎相互抵消而不会发生跃迁类运动,而日冕层的电子可能受到带正电的离子的作用而产生跃迁类运动而辐射频率更高的电磁波。

总之,由于光球层与日冕层存在密度、离子间距、电子运动状态和电磁环境差异而导致离子的热运动速度和平均谐振频率的差异是温度异常的根本原因。即:光球层内离子的热运动速度小、平均谐振频率低,所以温度低;而日冕层中的离子热运动速度大、平均谐振频率高,所以温度高。

5、物体的热平衡异常解释

地球人造卫星表面温度一般是:光照侧温度在200℃左右、非光照侧温度在-200℃。即使是卫星长时间位于太阳光照射下,卫星表面的温度也不能达到同温状态。也就是:长期暴露在阳光下的卫星也不可能达到表面同温,即使是卫星的表层是由导热性能良好的材料制作的。按照一般物理规律:当导热体在一端加热时,只要加热足够时间,导热体将达到温度相同。实际上,一般的绝热材料,在长时间加热后也会达到温度恒定,除非其散热条件好于热传导能力。因此,卫星在接近真空的外太空,卫星表面吸收太阳光后温度上升,表层材料将把热量传递到其他部分去,包括背阳面。由于卫星处于近真空状态,卫星不可能把热量传导给其他物体。因此,只有热辐射才能把卫星吸收的太阳光能量以电磁波的形式辐射出去。当卫星的电磁波辐射能量总量与吸收的太阳光能量相等时,即达到了热平衡。但这种平衡是动态的热平衡,且卫星表面的温度并未达到各部分同温。也就是卫星表面存在温度梯度和分子热运动速度梯度。由此可见:当物体不是整体均匀加热或各部分散热条件不同时,物体内部将存在温差。长期置身于太阳光下的卫星表面不会出现表面温度相同就是因为各部位的散热和加热条件不同,而卫星表面材料内部允许存在温度梯度或热运动速度梯度是卫星表面不同温的根本原因。由此可以推想:宇宙万物不可能达到热平衡——热寂状态,除非宇宙中所有物质汇集在一处并成球对称分布。否则,只要宇宙中的物质分布存在不均匀、不对称时都会因物质内部允许存在温度梯度而永远不能达到同温,也就永远不会出现热平衡。

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来自:黄元昌5533  > 教育培训
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