物理科学探疑——每周一文    第八期   2002年1月11日

能量守恒和转化定律和科学观念

志勰

[简介]关于能量守恒和转化定律不能成立的观念和科学逻辑的总结。

    关于能量守恒和转化定律，本站关于此的东西已经很多了，因为本站最初的内容就是以能量守恒和转化定律不能成立为主要的范围。这里对这些东西做一个整体的介绍和思路上的整理。

一、能量不守恒的思路

    1、能量守恒的思路

    为什么说能量是守恒的？我想这个问题其中信仰的因素比科学的因素更为浓重一些。但在能量守恒和转化定律建立的时期，这个问题可以说是不可以想象的。当然，在当时对能量的概念还不是很清楚，以至于能量和力都不能很好的区别开来。赫尔姆霍兹在1847年发表的《论力的守恒》就充分说明了这个问题。在当时的科学环境中是从多方面地提出这个问题，比如从生物学、化学等等领域。

    导致能量守恒定律被发现是这样一种逻辑思路，当一种物质的运动形式消逝之后，这个物质的运动形式会对其它的物质产生其它物质运动形式。从因果律上我们不难理解这个的科学结论。但是，从科学上来说，这不能做为一种量的守恒的依据。它只说明运动的量可以相互转化。（在科学史上，当时的科学家为此作了大量的工作，比较典型的有焦耳的热功当量的实验）

    2、能量不守恒的思路

    从因果律上来看，一种物质的运动形式的消失必然有某种原因，这个物质运动形式的主体必然和外界发生相互作用，能量可以进行转化。但是在转化的过程中，能量未必是守恒的。一个物体在和其它的物体发生作用过程中，它的标示运动的量（能量的量）未必会减少，但是它却会对外产生一个作用，这个作用同样会改变其它物质的运动状态。即对外界产生一个能量的作用。比如两个质量相差很大的弹性球体发生的弹性碰撞，碰撞的过程中会产生振动能量，但是两个弹性物体的在碰撞后其能量所存在的状态可以认为近似不变（传统科学中能量是标量）。

    物质运动的量在转化过程中未必是守恒的。但是确定的物质转化途径却存在一个确定的转化关系。

    3、两种能量转化的观念导致的科学观念的分歧

    对于整个的科学系统而言，两种能量转化的看法导致两种能量量的定量观念以及两种对物质运动的量的定量观念。

    第一种能量守恒的观念：能量守恒的观念所导致的能量定量量的观念必然是一种绝对的能量定量量的观念。反映在如下几个方面：

    （1）宇宙的能量总量不变

    （2）宇宙的物质运动形式可以看作常量。

    （3）宇宙计量物质运动的量可以通用，而不必去寻找不同能量间所标示的运动形式，而只要根据不同能量间的转化关系和能量守恒的观念就可以全部搞定。

    第二种能量不守恒的观念：能量不守恒的观念所导致的能量定量的量必然是一种相对的能量定量的观念。它依赖于物质运动量的定量形式，和转化形式。针对于每一种能量的量，都必须建立这种量和其它能量的量的转化关系。需要具体情况具体对待。

    在不同能量间的转化途径上，可以建立不同能量间的转化关系，主要依据是如下的几个方面：

    （1）所有物质间的作用都可以化归到两种作用形式里：一种作用形式是动量，另一种形式是冲量。前者是和物体运动状态相对应的物理量，后者则是和物体间的作用状态相关联的物理量。或者更通俗的说，一种是物体的惯性，另一种是作用力。

    （2）所有的物质运动变化都可以采用物质存在过程中和外界或者内部的动量和冲量的物质作用形式来解释，依赖于物质本身的两种属性，一种是物体本身的惯性，另一种则是物体本身对外界提供的作用（或者作用力、场的作用）。

    （3）所有的物质实体都具有惯性的属性，都可以采用质量进行描述;所有的物质间的作用都具有作用力的特点,都可以采用力进行描述（包括任何一种基本的相互作用）。

    3、两种能量观念的区别

    我们可以针对物质存在的属性和对外作用的特点建立物质相互作用的关系，但是，采用能量不守恒的观念所建立的能量转化观念所导致的对物质间的作用的处理方法，和能量守恒的观念是绝对的不同了。能量守恒定律确定的，宇宙中物质存在状态的量，采用物质间进行转化的模式却不能在量上进行严格确定。如下的几个量不能进行确定：

    （1）宇宙的能量总量不能确定

    （2)宇宙的物质运动形式能否看作恒定不变，或者看作常量。不能确定。

    （3)宇宙计量物质运动的量不能通用，在科学的意义上，必须确定确定的物质作用形式间的关系。而不能采用能量守恒定律建立简单的等量关系。

     如果我们追求科学的严密性，那么能量守恒定律则是必须放弃的，这是因果律在科学严密性发展上的必然。

    4、两种能量观念的相同点

   两种能量观念具有相类似的地方，就是对科学的统一上。能量守恒观念在科学上意味着一种统一。这种统一不需要对物质能量转化模式具体的统一途径，守恒观念的本身就是一种统一模式。

   能量守恒的观念在量上建立了接近于信仰统一的途径。能量不守恒的思路则通过物质的作用的途径上对物质的运动变化进行了统一。前者统一的是物质计量的量，后者的统一是对物质运动变化的解释上的统一。

   对于认识微观物质世界，两者的作用是相似的但却是不同的。前者趋近于科学的方法，后者则是科学的严密性。

   二、关于能量不守恒的现象

    一个物体运动所具有的能量可以转化成其它形式的能量，这依赖于这个物体和外界作用的关系。在这个物体和外界作用的过程中，能量不守恒的现象很多，但是大部分都是观念上的问题。

    1、机械运动和磨擦生热

    摩擦生热在理论计算方法上不遵守能量守恒和转化定律。相互摩擦的两个物体在摩擦的过程中的的能量转化不守恒（需要建立摩擦生热和做功的关系）。可参见机械运动的能量体系。

    2、弹性碰撞

    篮球和地面所发生的弹性碰撞不遵守能量守恒和转化定律，即便推广到理想的情况下也仍然不遵守能量守恒。在理想情况下，篮球碰撞前后其速值不变，但会在地面产生振动能量。这一点是不用实验证明的。

    3、化学过程

    在分子的领域能量守恒和转化定律也不能成立，如下的实验可以说明。

    将氢气和氟气单独加热到几千度的温度（加热到等离子状态），如果此时的温度为确定数值的温度，然后再用特殊的装置将它们混合到一起，这时，两种气体的温度不会增加，仍然维持特定的温度（也可能存在较小的变化，这是由于两种分子的质量是不同的）。而后再将混合气体冷却到常温状态。这时混合气体已经不再是两种原子了或者两种气体了，而是氟化氢气体。

    在这个过程里，加热气体所需要的能量和冷却气体所吸收的能量几乎是相等的。但是，如果考虑到能量守恒和转化定律，我们加热气体所用的能量应远小于冷却气体所吸收的能量，因为氟和氢两种元素的反应过程是必然要放热的，并且燃烧值是很大的。这样的结果和能量守恒和转化定律是不符的。

    关于能量不守恒的现象还很多。还有相当一部分现象在解释上存在争议。由于字数的限制，这里就不一一举例了。而仅点明一下。

本想写一篇较为系统点的文章，一是字数的限制，另一个是时间上这段时间有点琐事。在这里就匆匆收笔，写个半拉。以后我会重写。本文前一部分是观念整理的结果。关于能量不守恒的现象弹性碰撞和摩擦生热可参见机械运动的能量体系。关于化学过程可参见化学反应与物质的温度

2002.1.11

作者电邮：zhixie@netease.com 返回首页