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能量守恒是否只是一种定义(看补充)?

iseeyu2年前 (2024-11-28)推广118

所有的物理量都是一种定义。不要认为你看得见摸得着的就是不是定义。不要以为长度、时间、质量这种历史延续下来的概念就不是被创造出来的,只是创造出来的比较早,早到已经理所当然。

能量是一种被提出的概念是没问题的,只是它提出的比较晚。最因为能量不是一个直观量,所以它到底用什么表示是不重要的,重要的是存在着这样的一种关系。

比如莱布尼茨最早提出动能就没想过要加1/2这个系数,就是mv2。但是mv2就没啥用处,直到发现动能好像和势能存在一些关系,现在的动能才被重视。反而,动能才是被凑出来的物理量。

我们研究能量守恒,重要的不是能量,重要的是守恒。我们在一系列事物中发现一些有关联的东西,然后可以相互转化,转化前后总和不变。最后我们给它起了一个名字,叫做能量。

如果你学习化工专业,还会见到伯努利方程(1726年提出),其本质是流体的机械能守恒,但连能量概念都不涉及,只是一个多变量的守恒式(需要你做一些列恒等才是机械能守恒的表达式)。原因很简单,伯努利发现这个关系的时候能量还没被提出,但他发现了压力(后来被称为体积功)、流体流速(后来被称为动能)、高度(后来被称为重力势能)就是存在定量关系。我们后世,给它赋予一个名字叫做能量。

类似的情况,在诸多工科专业都有。

能量守恒是否只是一种定义(看补充)?


或许你可能只学了机械能守恒,觉得其他都是机械能守恒导出的,这个思路太过狭隘。了解一些科学史就会发现,各个物理领域是独立发展,最后汇总到一起的,反而机械能是最后被能量守恒带入的。

1856年,动能才作为术语被接受。在此之前能量守恒已经被广泛研究。

因为热量(内能变化)是最直观的,因为在小范围内比热容可以被认为一个定值,很方便测量。

热力学第一定律是最早被提出的,是机械能和热能的守恒。1842年,迈尔通过测量发现体积功(pV)和温度变化存在确定关系。

1840~1845年,焦耳在研究电流的热效应的时候发现,电流电压时间的乘积和温度变化的关系。

其他种种能量守恒的实例是一个个独立的科学家,通过独立的实验分别提出来的。如前面的伯努利方程。

最后被汇总为能量守恒定律。


最后,你提出了一个很现实的问题,就是存不存在隐变量。即,机械能守恒中是因为忽略了摩擦生热。而我们加入了摩擦生热,是不是还存在其他的东西没被加入。

这种类似的问题,在我们经典领域已经不会存在了,因为我们已经把这些东西用在了高楼大厦、机械桥梁、化学化工、航空航天各个领域,已经被一个被一个实例反复验证。

那么问题可能存在在哪呢,两个方面,1.微观粒子的相互作用,极微小的粒子,如中微子等我们还没有精确测量,2.宇宙中暗物质和暗能量的假说是否真的成立,如果不成立这个问题就是肯定的了。


补充解释一下,内能是最早一个被使用的能量也是最后一个被使用的能量。早是因为,内能是温度的函数,热当量是最开始度量一切能量的起源。晚是因为,刚开始把热量当成一种能量,现在把热量看成内能的变化量。在中学,只要把内能看成热量,一切都解决了。

毕竟势能的高度,动能的速度都是要选择参考系的,你就把内能的零势能点设定为题目开始时的内能,一下子就和热量大小相等了。

但是内能包括的东西太多了,需要学到统计热力学才能给出一个好的解释。简单说内能就是所有粒子的所有方式平动、转动、振动的能量和,还是可以通过统计热力学给出公式,根据第一性原理使用一些分子模拟的手段给出数值的(计算量极大,模型精确度不高,结果可信度一般)。

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