物理科学探疑——每周一文 第六期
2001年12月28日
热机的能量转化途径
志勰
[简介]本文简介了机械运动中能量概念存在的矛盾，提出了热机的转化途径。
在传统的物理学中，对热机作功并没有作具体途径的处理，依据热力学第一定律采用能量守恒的模式就处理了。我认为这样的解释并不合理。至少在物质运动变化的原理上并不是成功的，因为在解释过程中需要引入能量守恒和转化定律。但是对热机作用采用物质运动变化的模式进行解释，就必不可少的和现有的物理定义系统发生一些困难。
对于热机的能量转化模式，认为通过高温高压的气体分子和活塞间发生弹性碰撞，这一点是没有任何争议的。但是在实际数值计算的过程中，则必不可少的和传统的物理学的定义系统发生矛盾。矛盾主要发生在如下的几个方面：
1、温度的概念
传统物理学认为物质的温度和分子的动能成正比。即温度和（1/2）mv2成正比。客观事实说明物质的温度应该和分子的动量成正比。
2、分子内能和分子运动速度的关系
传统物理学认为气体的温度和（1/2）mv2成正比，并将分子的动能定义为（1/2）mv2。
但是能量现象的发生都会伴随着物质的存在状态发生改变，我认为采用动量或者冲量对分子的能量进行定义更为合理一些。至少在定义体系中不会存在分歧。
3、现在的物理系统中存在两种能量的观念
现有的能量的定义系统中，动能采用（1/2）mv2则存在矛盾，这个矛盾使物理学中的能量定义系统不得不采用两种能量的观念来对能量的概念进行定义。一种是动能的概念，即（1/2）mv2的模式，另一种则是功率的模式，采用的是冲量的模式进行定义的，即ft。
这说明这样一个问题，就是现在能量的定义系统不是统一的。
一、气体、液体和固体间不发生热量传递的条件
同一温度下的气体和固体之间没有能量传递。标志气体和固体内能大小的，是气体分子的运动速度和固体分子，原子的振动速度。若没有能量传递，则气体分子和固体分子，原子相互碰撞后，其速度在宏观统计上必不会改变。那么，气体分子和固体分子，原子在宏观统计上须满足m固v1=-m气v2.其中m固、v1分别为固体分子的质量，碰撞时的速度，m气、v2分别为气体分子的质量，速度。<由于固体的结构很复杂，m固不是固体分子的质量，而是震动个体的质量〉否则必会在固体和气体之间发生热量传递。鉴于同种物质的温度与其分子的平均速度成正比，则物体的温度与物质分子，原子的平均动量成正比。不但气体与固体之间没有热量传递时满足m固v1=-m气v2，固体与固体之间、固体内部没有热量传递都需满足m固v1=-m气v2。
二、气缸中高温气体分子和活塞的作用模式
燃料燃烧产生的热量使热机气缸内气体分子的温度升高。热机利用气体分子的热能作功。
将气体分子对外界的作用归之为气体分子同外界的完全弹性碰撞。这里我们从气体分子同活塞的完全弹性碰撞中来考察热机能量转化途径。
在热机做功的过程中，气体分子的内能如下变化。
1.气缸和活塞相对速度为零时，气缸中的气体分子和气缸，活塞仅进行动量传递。其中包括存在温度差时的热量传递，没有能量转化。
2.活塞压缩气缸中的气体时，如果气体分子相对于气缸的速度为v，活塞 相对于气缸的速度为△v ，则气体分子相对于活塞的速度为v＋Δv ，气体分子和活塞 每碰撞一次速度增加2Δv，同时提供给阻碍活塞压缩的冲量相当于m（2v＋2Δv）的动量。m为气体分子的质量。如上处理将活塞因碰撞速度的变化略而不计.气体分子速度的增加和活塞碰撞原子振动速度的增加使温度升高增加的动量来源于气缸和活塞的相对速度。来源于活塞提供的冲量。活塞 提供的冲量大于气体 分子增加的动量。
3.气缸中的气体推动活塞运动时，活塞的运动速度为变速运动。活塞相对于气缸的瞬时速度仍用Δv表示。气体分子与活塞的相对而言速度为v-Δv。气体分子和活塞 每碰撞一次速度减少2Δv。同时提供给使活塞运动的冲量为相当于m（2v-2Δv)的动量。气体分子速度的减少和活塞 碰撞原子核振动速度为的减少使相互碰撞的分子和原子的温度降低。温度的降低减少的动量的来源于气缸和活塞 的相对速度，来源于活塞冲量的增加。活塞增加的动量大于气体分子减少的动量。
从气体分子和活塞 碰撞的实际情况来看，热机能量的转化途径是气体分子和活塞运动存在的相对速度。
如上的处理方法将活塞分子当作静止的分子处理，此是近似的处理方法，没有将碰撞分子间的相对温度考虑进去。
近几年来没有在对机械运动再作进一步的探讨，因此这篇文章的内容大都来自机械运动。
作者电邮：zhixie@netease.com 
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