力 能量_熵及其相互关系

《力 能量_熵及其相互关系》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、2000年11月安庆师范学院学报(自然科学版)Nov.2000第6卷第4期JournalofAnqingTeachersCollege(NaturalScience)Vol.6NO.4XXX力、能量、熵及其相互关系胡志强(巢湖师范专科学校物理系,安徽巢湖238000)摘要:从统一的角度论述力、能量和熵三个物理量在物理学中的重要地位,分析它们之间的相互关系,最后指出物理概念的发展标志着物理学从“存在的物理学”发展到“演化的物理学”。关键词:力;能量;熵;统一;演化分类号:O4文献标识码:A文章编号:1007-4260(2000)04-0053-04引言概念作为人类对自然

2、界认识一定阶段的总结,以压缩的形式反映了一定时期人们认识的大量事实。科学发展的历史就是科学概念不断产生和发展的历史。在物理学各个分支学科中,出现了许多基本概念如力、能量、熵、波、场、量子等,它们在不同领域,从不同层面对自然科学知识作出了概括。从力的概念、能量的概念到熵的概念,人类的认识大约花了二百年的时间;而自从熵概念提出以来,也已经有一百多年了,人们对它的认识也在不断深化,并以广义熵的形式广泛应用于信息论、控制论、无线电、天体物理、生命乃至人类社会等各个领域。力、能量和熵分别代表了不同的物理学发展时期,即机械力学、经典物理和近代物理阶段。从力到能量到熵显示了物理学基

3、本概念的发展历程。一在物理学发展的早期,经过A.亚里斯多德、G.伽俐略和I.牛顿等人的努力,逐渐形成了力这个科学概念,进而建立了整个经典力学体系,解决了从地上到天上一切物体的运动问题。在这里,力第一次得到了其科学的涵义:力是物体和物体之间的相互作用,是产生加速度的原因。该定义抓住了力的共性,统一了诸如摩擦力、弹性力、重力、电磁力等各种形式的力。于是,牛顿定律被简炼地表成:∑iFi=dpödt;由此可以得到,tdp=(∑iFi)×dt;P=∫(∑iFi)×dt+P0。0由于经典力学所取得的辉煌成就,它一度使人感到只要通过精确的力学定律,就能对物质运动的未来进行预测。实际

4、上,现代许多高科技应用的就是基本力学规律,如火箭、卫星等。从力学观点看,所有物体的运动——从宏观到微观,从低速到高速——都可归结为力的问题,受力的作用,用相应的力学方程求解。因此,多种多样、千变万化的世界在这个基本概念的基础上得到了统一的说明。在现代,力的概念已被扩展为各种相互作用,其内涵也超出了原来力的含义,认为交换、反应也是力,如交换力、反应力等。目前,人类已发现宇宙X收稿日期:2000-06-20XX作者简介:胡志强(1970-),男,安徽无为人,巢湖师范专科学校教师,主要致力于非线性系统及科学技术哲学的研究。·54·安庆师范学院学报(自然科学版)2000年间共

5、有四种基本相互作用,即万有引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用。此后,出于追求世界的和谐、简洁和统一,人们一直试图把这四种力统一起来。20世纪60年代,S.L.格拉肖、S.温伯格.A.萨拉姆等人在杨振宁和R.L.米尔斯提出的规范场理论的基础上终于实现了弱力和电磁力的统一,为将来最终建立“大统一理论”奠定了基础。牛顿力学定律体现的是物体之间的相互作用和瞬时关系,力一方面使物体运动状态发生变化;另一方面还可导致物体运动形式发生改变,例如,机械运动转为热运动,电磁运动变为微观粒子的运动。为了定理地研究这种转化,我们必须选用一个能反映各种运动形式共性的物理量,即能量。它首先由

6、英国物理学家杨(T.Yong)引入并很快就进入力学、热学、电磁学等许多领域。能量是物质系统的状态量,能量方程相对于物体的运动过程。我们通过力作功来定义能量,用作功的多少来度量它,其一般广义形式为:W=∫dw;dw=(∑iFi)×dyi(其中yi称为外参量,Yi是与yi相应的广义力)。能量有多种形式,诸如机械能、热能、电磁能、光能、核能⋯⋯,各种形式的能量,依据能量守恒定律相互转化。从能量观点看,机械设备实际就是“能量转化器”,自然界发生的一切过程是能量转化的过程,其中各种作用力是转化的机制——通过力的相互作用具体实现这种转化。物质运动的能量(正则)方程为:q′a=5H

7、ö5pa;p′a=-5Hö5pa(a=1,2,3⋯⋯,s)其中qa为广义坐标,pa为广义动量,H为哈密顿函数:H=-L+∑apaqa,L表示系统的动能和势能之差。由于能量方程用过程关系代替瞬时关系,不涉及物体之间复杂作用的细节,因此,能量方程为解决问题开辟了一个新的途径,尤其在解复杂问题时显得非常简洁,在应用上它也比牛顿力学方程有着更广阔的范围。在物质运动的不同领域有不同层次的能量守恒定律,在力学中表现为机械能守恒定律,热学中包括热现象在内的热力学第二定律,最后推广到包括一切理化过程在内的普遍的能量转化和守恒定律。和力的概念相比,能量是从更高层次对各