吳國玢 F.Herrmann(何富理)

(1上海理工大學(xué),上海 200093;2德國卡爾斯魯厄大學(xué))

試論一種新的能量觀

吳國玢1F.Herrmann(何富理)2

(1上海理工大學(xué),上海 200093;2德國卡爾斯魯厄大學(xué))

本文論述一種新的能量觀.作者建議使用“能量載體”的概念來代替“能量形式”.因?yàn)楹笳呷菀桩a(chǎn)生某種誤導(dǎo)作用.事實(shí)上,“能量載體”這個(gè)概念有利于反映能量的本質(zhì).它不僅能夠用來清晰地描述能量的輸運(yùn)、交換和儲存過程,而且其科學(xué)含義精確,表述通俗易懂.作者認(rèn)為,新的能量觀念會有助于改進(jìn)物理教學(xué)并推動物理學(xué)自身的發(fā)展.

能量;物質(zhì)型物理量;能量載體;能量轉(zhuǎn)載體;能量供體;能量受體;能流圖

1 引言

人們通常說,能量以不同的形式存在,而且在各種物理過程中不同能量形式之間還會發(fā)生相互轉(zhuǎn)換.然而,如果我們仔細(xì)地分析一下就不難發(fā)現(xiàn),用能量形式(energy form)的概念來思考和討論問題其實(shí)并不恰當(dāng),有時(shí)甚至還會起到某種誤導(dǎo)作用.能量形式的概念容易使人們誤認(rèn)為存在著不同類型的能量,或者認(rèn)為能量善于“變臉”,會以多種不同的面貌出現(xiàn),從而忽視這樣一個(gè)簡單而正確的物理概念:能量自身實(shí)際上是一種不變的東西.事實(shí)上,當(dāng)人們試圖去定義并區(qū)分各種能量形式的時(shí)候就必然會感到棘手.請問,在一個(gè)氧分子所具有的能量中,有誰能說得清楚哪一部分是動能、勢能、熱能、化學(xué)能、電能或磁能呢?誰又能說得清楚哪些部分是有序的,哪些部分是無序的能量呢?此外,許多人往往不明白兩種不同的能量分類方法(根據(jù)儲存的能量或根據(jù)流動的能量進(jìn)行分類)之間的區(qū)別.不少物理學(xué)家甚至還無法解釋清楚為什么像“能量以熱量的形式儲藏”這樣的提法在物理學(xué)上是不正確的.

從形式上去區(qū)分能量其實(shí)是完全不必要的.要區(qū)分能量的形式有點(diǎn)像要去區(qū)分水的不同形式:海水、河水、雨水、自來水、礦泉水、凝結(jié)水、地下水、污水和純凈水等.水的這些分類或不同形式并不表明水本身出現(xiàn)任何不同或者有任何特殊.水其實(shí)只有一種:液態(tài) H2O.上述各種水的“形式”所透露的其實(shí)只不過是關(guān)于水的一些附加信息:水來自何處,它作何用途,它以何種方式輸送,以及它含有何種添加物或雜質(zhì),等等而已.不難看出,所謂“水的形式”這種提法本身就不太恰當(dāng).

能量的情況與此完全相同.能量其實(shí)也只有一種.“能量形式”的提法本身同樣是欠妥的,因?yàn)閷?shí)際上并不存在著不同形式或類型的能量.

2 能量是一個(gè)物質(zhì)型的物理量

大家知道,有一類稱作廣延量的物理量,包括電荷量、質(zhì)量、動量、物質(zhì)的量以及熵等,它們的整體值都等于各部分值的和,而且都可以確定它們各自的密度值.由于這些在整個(gè)自然科學(xué)中起著極其重要作用的物理量可以連續(xù)地分布在空間內(nèi),并且可以在空間內(nèi)流動,因此具有一種有利于我們對它們進(jìn)行分析研究的共同特點(diǎn),即我們可以像處理物質(zhì)那樣地處理它們.換言之,我們可以在研究過程中采用一種“物質(zhì)模型(substance model)”,把這些量想象成一種“物質(zhì)”來進(jìn)行處理.為了突出這一共性,我們不妨為它們起一個(gè)能夠反映這種特性的名字:物質(zhì)型物理量(substance-like quantity).應(yīng)當(dāng)指出,這里所說的物質(zhì)在嚴(yán)格意義上應(yīng)該是指連續(xù)介質(zhì),即一種不考慮物質(zhì)分子之間實(shí)際存在的空隙而連續(xù)地分布在空間的假想物質(zhì).

如果一個(gè)量是物質(zhì)型的,那么“它被包含在某一空間區(qū)域內(nèi)”的說法是有意義的.這就是說,人們想知道該空間區(qū)域所包含的這個(gè)物理量有多少數(shù)量,并將其變化與流入或流出該區(qū)域的同一物理量相聯(lián)系起來的想法和做法是有道理而且行得通的.事實(shí)上,我們還可以這樣認(rèn)為,一個(gè)物理量只有當(dāng)它屬于物質(zhì)型時(shí),才能夠根據(jù)它是否遵守連續(xù)性方程來談?wù)撍欠窬钟蚴睾?local conservation).反之,如果我們?nèi)フ務(wù)搲簭?qiáng)、溫度、速度或電場強(qiáng)度等強(qiáng)度量(非物質(zhì)型物理量)的守恒或不守恒問題,那就不正確了.有些物質(zhì)型物理量(例如電荷量)始終是守恒的;然而,另一些物質(zhì)型物理量只有當(dāng)它們處于某種特殊條件下時(shí)才是守恒的.比如,物質(zhì)的量(amount of substance)只有在不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的條件下才是守恒的.由此可見,物質(zhì)型物理量和守恒的物理量(conserved quantity)的概念并不完全等同,前者的綜合性更強(qiáng)或覆蓋面更廣一些.

前面所述的電荷量和物質(zhì)的量這兩個(gè)量在傳統(tǒng)上都已被認(rèn)可為廣延量或物質(zhì)型物理量.不過在本文中,我們要著重討論的是另外一個(gè)物質(zhì)型物理量:能量.能量具有類似于物質(zhì)的性質(zhì)源于這樣的事實(shí):能量密度和能量流等量都是實(shí)際存在著的.還有一點(diǎn)很明顯的是,能量的局域守恒也是成立的.因此,能量既是一個(gè)物質(zhì)型的量,又是一個(gè)守恒的量.

3 關(guān)于能量形式的定義和分類

為了進(jìn)一步說明能量形式這個(gè)概念及術(shù)語應(yīng)予擯棄的理由,我們不妨先來審視一下它在目前各種文獻(xiàn)資料里的定義和分類.我們將會發(fā)現(xiàn),在不同的物理書籍中,關(guān)于能量形式的定義事實(shí)上各不相同.

實(shí)際上,即使在一些著名的物理教科書里,關(guān)于“能量形式”這個(gè)術(shù)語的定義也存在著明顯差異.有些教科書認(rèn)為能量形式的定義應(yīng)該與能量交換的各種方式有關(guān),另一些則認(rèn)為這個(gè)定義應(yīng)該與能量儲存的各種方式有關(guān),還有一些書中所使用的能量形式這個(gè)術(shù)語看上去與上述兩種方式都有關(guān).由此可以看出,能量形式這個(gè)概念本身的物理含義就相當(dāng)模糊,因而與其說它具有科學(xué)上的價(jià)值,還不如說它更接近于日常生活用語.

能量形式一般按照兩種完全不同的方式進(jìn)行分類.第一種根據(jù)能量變化,或者說,根據(jù)能量流動(能量流入或流出一個(gè)物理系統(tǒng)使得其中的能量含量發(fā)生變化)來進(jìn)行分類.此時(shí)能量可分為電能、化學(xué)能、熱能和功,等等.第二種則根據(jù)能量如何儲存來進(jìn)行分類.此時(shí)所涉及的形式有內(nèi)能、電場能、動能和勢能等.可惜,有不少書籍把這兩種情況下的能量形式混為一談.現(xiàn)在來討論第一種將能量區(qū)分為各種能量流的分類方法.經(jīng)驗(yàn)告訴我們,能量從不單獨(dú)流動,它總是與至少一個(gè)其他物質(zhì)型物理量相隨著一起流動.這個(gè)陳述所表達(dá)的其實(shí)是一條自然定律.它可以書寫成如下數(shù)學(xué)形式,即吉布斯(Gibbs)關(guān)系式

式中,IE,IQ,In,Ip和 IS分別代表能量流、電荷流、摩爾流、動量流和熵流;Φ,μ,v,Τ則分別代表電勢、化學(xué)勢、速度和絕對溫度.例如,能量流與電荷流同時(shí)流經(jīng)導(dǎo)線而進(jìn)入電爐;能量與物質(zhì)的量(燃油和氧氣)一起流入汽車發(fā)動機(jī);能量與動量一道流經(jīng)繩子而拉動拖車;能量與熵相伴同時(shí)流過房屋的墻壁,等等.在這些情況下,人們通常會根據(jù)與能量一起流動的那個(gè)物理量,來談?wù)撃芰坎扇∵@樣或那樣的“形式”進(jìn)行傳輸或轉(zhuǎn)換.在上述例子中,人們分別把這些不同“形式”的能量稱作為電能、化學(xué)能、功和熱.

將儲存的能量細(xì)分為各個(gè)不同的部分則基于另一種考慮:一個(gè)系統(tǒng)的能量總是可以表示為該系統(tǒng)的某些其他變量的函數(shù).例如,我們?nèi)粲?x1,x2,x3,…來表示這些變量,便可以寫出它們的能量函數(shù) E= E(x1,x2,x3,…).如果變量選得合適,那么整個(gè)系統(tǒng)就可以用這樣的能量函數(shù)(energy function)來完全地加以描述.一般說來,只要一個(gè)系統(tǒng)的能量函數(shù)可以展開為一些分立的單項(xiàng)之和,而且每一項(xiàng)都各有各的自變量,相互獨(dú)立,那么我們就能夠?yàn)檫@個(gè)代表著該系統(tǒng)能量的和式中的每一項(xiàng)起一個(gè)不同的名稱,從而得到不同的能量“存在形式”.可惜,情況并非總是如此理想.許多重要的物理系統(tǒng)不允許做這樣的能量分解.比如,理想氣體的能量就是變量熵 S、體積V、以及物質(zhì)的量n的不可分解的函數(shù).事實(shí)上,任何能量轉(zhuǎn)換裝置的能量函數(shù)一般都是不可分解的.各種熱力發(fā)動機(jī)將熱量 TdS轉(zhuǎn)換為功-pdV(此處 p表示壓強(qiáng)),它們的能量函數(shù)當(dāng)中的自變量S和V都不能夠做這種分解.

相比之下,能量流倒總是能夠根據(jù)公式(1)來進(jìn)行分類的.因此,根據(jù)能量流來進(jìn)行分類更加簡單易行.不過必須指出,我們并不贊成把由此而區(qū)分開來的各種能量流稱為不同的“能量形式”.那么其理由何在呢?說能量具有不同的形式究竟錯(cuò)在哪里呢?在回答這個(gè)問題之前,我們不妨先考慮一下如何回答另一個(gè)問題:“說電荷具有不同形式究竟錯(cuò)在哪里呢?”或者換一種問法,我們?yōu)槭裁床桓鶕?jù)電荷在傳輸過程中所使用的載體來替電荷起一些像“電子電荷”、“質(zhì)子電荷”、“氯離子電荷”那樣的不同名稱呢?又如,我們?yōu)槭裁床徽f在蓄電池的電極處離子電荷“轉(zhuǎn)換”成電子電荷,或反過來?或者為什么不說在β+衰變中質(zhì)子電荷轉(zhuǎn)換成正電子電荷呢?很明顯,將電荷冠以不同的名稱容易使人誤認(rèn)為這些名稱表示著不同的物理量;而事實(shí)上在上述所有情況下都僅僅涉及一個(gè)相同的物理量——電荷,所不同的只是電荷的載體而非電荷本身.

如果我們對待能量能夠像對待電荷那樣嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑?那么就不難發(fā)現(xiàn),談?wù)撃芰康牟煌问綍裾務(wù)撾姾傻牟煌问揭粯悠鹫`導(dǎo)作用.流過電磁場、燃油管路或房屋墻壁的能量本身并沒有什么不同,所不同的只是在各種情況下隨能量一起流動的那些其他的物質(zhì)型物理量.使得能量被稱作動能的原因并非該能量本身有何特殊,而是因?yàn)榘殡S著或攜帶著該能量的是動量;被稱作熱能的能量也不是由于它與其他能量有什么兩樣,而是因?yàn)榘殡S著或攜帶著該能量的是熵(熱).容易看出,這里所產(chǎn)生的差錯(cuò)實(shí)質(zhì)上就是把那些本來屬于動量、熵或其他物質(zhì)型物理量的性質(zhì)誤認(rèn)為是能量的屬性.

由此可知,在那些所謂的“能量轉(zhuǎn)換器”內(nèi),事實(shí)上并不會發(fā)生什么能量的轉(zhuǎn)換.正確的說法應(yīng)當(dāng)是,在此類裝置內(nèi),實(shí)際發(fā)生轉(zhuǎn)換的是那些伴隨著能量一起流動的其他的物質(zhì)型物理量.

4 能量載體和能量轉(zhuǎn)載體

如果我們同意不再使用術(shù)語“能量形式”,那么應(yīng)該選用什么樣的術(shù)語來替代它比較好呢?回顧一下前面關(guān)于電荷的討論,答案就會立即呈現(xiàn)在我們的面前,那就是使用“能量載體(energy carrier)”來取而代之.我們可以說,隨同能量一起流動的那個(gè)物質(zhì)型物理量“運(yùn)載”著能量流動.它是一種“能量載體”.

當(dāng)某種東西只是更換其載體而它自身并沒有發(fā)生變化時(shí),去談?wù)撨@種東西的形式顯然是不合適的.例如,在把煤從礦井輸送到一臺普通鍋爐內(nèi)的過程中需要不斷更換它的運(yùn)輸工具.它們可能包括礦車、傳送帶、火車、船舶、卡車和手推車等.很明顯,沒有人會想去給每一段路程中的煤貼上諸如“礦車煤”、“傳送帶煤”、“火車煤”、“船舶煤”、“卡車煤”等不同的標(biāo)簽.與此相反,如果人們說煤在從煤礦到鍋爐的輸送路途中多次改變了運(yùn)載工具或載體,倒是十分貼切和自然的.容易看出,“煤的載體”的概念是合理的,而“煤的形式”的概念則是不合理的.相應(yīng)地,“能量載體”的概念是合理的,而“能量形式”的概念則是不合理的.

能量載體運(yùn)載的能量可多可少,就像卡車運(yùn)載貨物可多可少一樣.例如,2A電流能夠運(yùn)載1000W也能夠運(yùn)載10W的能量流,量的多少取決于電勢差或電壓的高低.可見,電勢是能量載體“電(荷)”能夠運(yùn)載多少能量的一種量度.于是,我們可以把電勢稱作為“能量載荷因子(energy load factor)”.其他一些強(qiáng)度量也是能量載荷因子.比如,絕對溫度 T是熵流能夠運(yùn)載多少能量的一種量度,而化學(xué)勢μ是摩爾流能夠運(yùn)載多少能量的一種量度.這些強(qiáng)度量所起的能量載荷因子的作用使得它們在能量的輸運(yùn)過程中變得十分重要.

能量載體和能量載荷因子的概念對于描述前面提及的“能量轉(zhuǎn)換器”特別有用.按照傳統(tǒng)的說法,能量以一種形式流入能量轉(zhuǎn)換器并以另一種形式流出.這種說法容易使人認(rèn)為在該裝置里一個(gè)物理量轉(zhuǎn)換成了另一個(gè)物理量.然而,實(shí)際上能量只不過在裝置里改變了它的載體而已.換句話說,能量在那里從一個(gè)載體轉(zhuǎn)移至另一個(gè)載體.因此,使用名稱能量轉(zhuǎn)載體(裝置)(transcarrier)來描述此類裝置的實(shí)際功能更為合適.

在人們?nèi)粘Ｉ詈图夹g(shù)環(huán)境中,到處都充滿著能量轉(zhuǎn)載體的例子.比如,在電燈泡里,能量從載體“電荷”轉(zhuǎn)載到載體“光”上;在電動機(jī)里,能量從載體“電荷”轉(zhuǎn)載到載體“角動量”上;在發(fā)電站里,能量從載體“物質(zhì)的量”轉(zhuǎn)載到載體“電荷”上;在熱機(jī)里,能量從載體“熵”轉(zhuǎn)載到載體“角動量”上,等等.上述電燈泡、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)和熱機(jī)等都是能量轉(zhuǎn)載體.

5 能流圖及其構(gòu)成單元

有了能量載體和能量轉(zhuǎn)載體的概念之后,我們還可以用圖形的方式來表示能量從一個(gè)裝置或空間區(qū)域傳輸?shù)搅硪粋€(gè)裝置或空間區(qū)域的過程.這種圖形稱為能流圖(energy flow diagram).圖1所示為建筑物供暖系統(tǒng)的能流圖.在那里,能量與能量載體(energy carrier)熱水(熵)一起從鍋爐流到各個(gè)散熱器.為了統(tǒng)一和方便起見,我們把鍋爐稱作能量供體(energy supplier),把散熱器稱作能量受體(energy receiver).圖2所示為汽車動力系統(tǒng)的能流圖.其中,油箱是能量供體,發(fā)動機(jī)是能量受體,而汽油(物質(zhì)的量)是能量載體.在上述圖中,能量供體和受體分別用方框表示,寬的空心箭頭將這些方框連接起來,以表示能量,細(xì)的實(shí)線箭頭則用來表示能量載體.除了能量供體、載體和受體這三個(gè)構(gòu)成要素之外,真實(shí)自然環(huán)境和人工設(shè)備裝置的能流圖往往更復(fù)雜一些,還會包括能量轉(zhuǎn)載體這個(gè)要素.在圖3所示的例子中,能量載體轉(zhuǎn)換了三次.其中的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和電燈泡都是能量轉(zhuǎn)載體.圖4所示為部分常見的能量轉(zhuǎn)載體,如鍋爐、電燈泡、發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)等.事實(shí)上,能量轉(zhuǎn)載體兼?zhèn)淠芰渴荏w和能量供體的功能,而且?guī)缀跛械哪芰渴荏w都是能量轉(zhuǎn)載體.綜上所述,能流圖的構(gòu)成應(yīng)該包括能量供體、能量載體、能量轉(zhuǎn)載體和能量受體四個(gè)基本要素或單元.能流圖中不同的能量載體和轉(zhuǎn)載體通常與不同的物理學(xué)分支學(xué)科相對應(yīng).在實(shí)踐中,能流圖為我們分析研究與能量有關(guān)的一些問題提供了一種簡易便捷的圖示方法.

應(yīng)該指出,科學(xué)概念必須依靠語言文字表達(dá)其意義,名詞術(shù)語是語言的基石、概念的符號.譯名如果不妥,勢必會影響整門學(xué)科表述的準(zhǔn)確達(dá)意,甚至造成誤解.本文作者在征求多方意見之后將能流圖中四要素以前的譯名“能量攜帶者”、“能源”、“能量接收器”和“能量收發(fā)器”分別改為“能量載體”、“能量供體”、“能量受體”和“能量轉(zhuǎn)載體”,還將此前的譯名“實(shí)物型物理量”改為“物質(zhì)型物理量”.

6 結(jié)論

能量是一個(gè)物質(zhì)型的物理量.由于“能量形式”的概念容易引起誤解,所以必須用一個(gè)更為合適的概念來取代它.通過分析那些伴隨著能量一起流動的其他物質(zhì)型物理量所起的作用,作者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)采用術(shù)語“能量載體”來代替“能量形式”.在新的概念框架里,能量被想象成一種“物質(zhì)”,這種“物質(zhì)”只有當(dāng)它裝載到另外一種叫做能量載體的“物質(zhì)”上時(shí),才能從一處流動到另一處.這就是說,能量在傳輸過程中并沒有從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式,而只是改變了它的載體,即從一種載體轉(zhuǎn)載到另一種載體上.由此,我們得到了一種關(guān)于能量傳輸過程的既嚴(yán)格有效,又通俗易懂的描述.更為重要的是,根據(jù)新的能量觀念,我們還能夠方便地揭示出物理學(xué)各分支學(xué)科之間在結(jié)構(gòu)上的相似性或共同規(guī)律,從而不僅直接有利于改進(jìn)物理教學(xué),而且對于促進(jìn)物理學(xué)自身的發(fā)展也具有積極意義.不過,有關(guān)這方面內(nèi)容的討論,將留待另文處理.

[1] G.Falk and F.Herrmann.Konzepte eines Zeitgem?ssen Physikunterrichts(Schroedel-Verlag,Hannover,1979),Vol.3,pp.14～22

[2] R.Resnick and D.Halliday. Physics f or Students of Science and Engineering(Wiley,New York,1963),Vol.l,Chap.8,p.144

[3] C.Kittel,W.D.Knight,and M.A.Ruderman.Berkeley Physics Course:Mechanics.McGraw-Hill,New York,1973,Chap.5,p.150

[4] F.Herrmann.Energy density and stress:A new approach to teaching electromagnetism.A merican J.Physics,1989,57,707～714

[5] F.Herrmann and G.Job.The historical burden on scientific knowledge.Eur.J.Phys.,1996,17,159～163

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2010-10-10)