能量

能量无质量

 
能量是对一切宏观微观物质运动的描述。
所以能量并不是宏观物质,因此能量没有体积和质量。 


能量只是对微观粒子运动的描述   
宏观物体是由微观粒子组成  
因而我们所消耗的能量即微观粒子运动的总和

能量有密度

 
单位体积内的包含的能量,单位:焦耳/立方米,千焦/立方米,兆焦/立方米,
量纲M(L^-1)(T^-2)。

用来衡量电池最合适,比较单位体积的电池所储存的电量。
气体燃烧热(以体积衡量的)实质上就是能量密度。

能量密度(Energy density)是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。

分子运动

 

宇宙经历了大爆炸才形成现在的宇宙,宇宙的运行实际上是因为宇宙中存在着无数的分子、原子和电子等等,而在分子动理论中,分子是在不停地做无规则运动。


 
有人就要问了,在地球上永动机是不可能存在的,那为什么大到宇宙,小到原子内部,都在不停的运动?

关于永动机的概念最早是在公元1200年左右,起源于印度,然后由印度教传到伊斯兰教,最终到达欧洲,当永动机这个概念传到欧洲的时候,引起了极大的轰动,也掀起了制造永动机的热潮。

而所谓的永动机就是指不需要外界输入能源、能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断运动并且做功的一种机械。

1.为什么永动机不能制造出来?

不消耗能量而能永远对外做功的机械被称为“第一类永动机”,其违背了能量守恒定律,即热力学第一定律:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到其他物体,而且能量的总量保持不变。
   

 
在能量守恒定律下,能量不可能无缘无故的产生,也就是说不消耗能量的永动机是不可能存在的,因为当机械运动时会有摩擦,这就会使一部分机械能会转化为内能。

在没有温度差的情况下,从自然界中的海水或空气中不断吸取热量,从而连续地转变为机械能的这种机械被称为"第二类永动机",这看似是符合能量守恒定律的,但是不符合热力学第二定律。

内能不可能在没有任何损耗的情况下,全部转化为机械能(德国物理学家的克劳修斯的表述为“热量不能自发地从低温物体转移到高温物体”,英国物理学家开尔文表述则是“不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响”)。

 
因此永动机违反了热力学定律,是永远不可能够被制造出来的。

 
2.一切物质的分子都在不停地做无规则运动

1827年植物学家布朗首先发现这个规律。在1826年,英国植物学家布朗用显微镜观察悬浮在水中的花粉时发现的,后来把这种悬浮微粒永不停息地做无规则运动的现象叫做布朗运动,其实不只是花粉和小炭粒,对于液体中各种不同的悬浮微粒,例如胶体,都可以观察到布朗运动。


 
    而能够保持物质物理性质和化学性质的最小颗粒是分子,也可以认为是分子永不停歇的在做无规则运动,分子间又存在着相互作用的引力和斥力,分子间存在着间隙。

    一般来说,气体分子之间的间距离比较大,而作用力就较小,因此气体有很大的流动性,容易被压缩;液体分子间的距离较小,分子间相互作用力分为引力和斥力,分子在平衡位置做无规则振动,但是分子间的引力难以约束分子的运动位置,所以液体没有固定的形状。
    
    如果分子间距离小就表现为斥力,因此液体很难被压缩;固体间分子间隙很小,而分子间的作用力又很大,所以固体分子只能在固定的位置附近做无规则的振动,距离稍微小点就表现出很大的斥力,距离稍微大点就表现出很强的引力,因此固体有固定的形状,难以被压缩。

 
当物体受热时,会吸收能量,此时分子的运动会变得很剧烈,分子间间隙也会变大,所以会有分子的运动,会有热胀冷缩的特性,因此分子的无规则运动也被称为分子的热运动。

 
    3.为什么分子可以一直做无规则运动?

    主要是因为构成物质的分子都具有能量(机械能),可以说每个分子都是因为具有能量而运动的,单个分子的运动服从力学规律,但集体运动是服从统计规律,是无规则的。

 
其实宇宙中的万事万物都具有能量,从理论上分析,只有处于绝对零度的状态才会没有运动没有能量,不过绝对零度是不可能达到的,而任何高于绝对零度的存在方式都具有能量,有能量就必须在运动。

所以,不只是分子原子,宇宙万事万物都是在能量的不断循环中运动着,而能量是遵守能量守恒定律的。

 
    4.永动并不等于永动机。

    首先需要明白永动机和分子之间的无规则运动根本不是一回事,其次分子之间不停息无规则运动看似没有什么能量供给,但实际上宇宙中一切物质的运行都来自于宇宙诞生之初的纯能量,而物质又是由分子、原子、电子等构成的,所以也可以说宇宙的运行是由于宇宙中存在着无数的分子、原子和电子等等。

 
然后需要明白永动机不是一直能“动”的一种机器,如果要把永动机归纳为永远能动的机器的话,那么我们每个人其实都是永动机,因为构成我们身体的原子内部的电子都在不停的运动,而且全宇宙的所有粒子都在不停的运动,难道全宇宙都是永动机吗?

实际上这是对永动机的一种误解,粒子的运动是无法做功的,所以宇宙本身并不是永动机,而分子不停息地做无规则运动就是这个道理。

 
    根据热力学之父开尔文的推测,宇宙的最终结局有可能是熵达到最大,届时宇宙间所有的物质都会衰变为轻子和光子,而整个宇宙就会处于热力学平衡,这就是宇宙的最终结局。

 

振动

运动是这个世界的根本属性,而振动是运动的一种方式。

 
    最简单的运动形式有四种,即匀变速直线运动、抛体运动、匀速圆周运动和简谐振动。其中,匀速或变速直线运动和抛体运动是不可重复的运动,因此是运动状态是拓扑关系;而圆周运动和简谐振动看起来可以重复更简单,其实不然。

    后两种运动只是从宏观上看是周期性的可重复的,但在微观上则更为复杂,是拓扑的不可重复的。
    

 
    振动是宇宙普遍存在的现象,不管是宏观,还是微观都有振动发生。大的方面来说,地震、海啸、爆炸等都属于振动范围;而微观粒子层面,粒子的热运动、布朗运动都属于振动范围。
    
    在哲学层面,这个世界运动是绝对的,静止是相对的。不管是遥远的天体,还是风吹草动,运动都无时不刻都在进行。只有宏观物体,我们才能够看到相对的静止,比如一栋房子或者一张桌子,我们看到的可能是静止画面,但从微观世界来说,所有的物体内部深层次的分子、原子、亚原子粒子都在不停的运动变化,这种静中有动的运动,主要方式就是振动。

    

分子振动近似于简谐振动

 
    我们知道,我们见到的常规物质都是由分子组成的,而组成分子的最小单元就是原子,原子是保持物质具有某种性质的基本单元,不同的原子组合会形成不同的分子,不同的分子就组成了不同的物质。

    原子与原子结合依靠的是原子间的化学键,这些化学键就像弹簧,通过震动来化解原子间的伸缩振动,从而保持物质的状态。我们可以把这种振动近似地看成谐振子的简谐振动。
    
    所谓谐振子就是简谐振动的质点,而简谐振动则是物体在与位移成正比的恢复力作用下,在其平衡位置附近按正弦规律作往复的运动。这种运动遵从胡克定律,表达式为:F=-k·x或△F=-k·Δx。

    https://zhuanlan.zhihu.com/p/159211243

    

从更微观层面讲,粒子振动是能源的催动的。

 
    在我们宇宙中,最主要最基本的能量就是电磁辐射。宇宙中充满了各种各样的天体,其中恒星占有宇宙可见质量的99%以上,每一颗恒星都由于中心核聚变源源不断的辐射出能量,这些能量都是以电磁辐射的方式散播到太空中。

    因此宇宙中充满了这些电磁辐射能量,以及随着辐射飞到太空的带电粒子,还有许多不带电中微子,它们都不同的运动着,这些运动也包括振动形式。就连138亿年前宇宙大爆炸的余烬,依然以微波背景辐射的方式存在在宇宙每个角落,让宇宙背景保持了2.75K的温度。

    

 
    温度就是粒子振动的表现。各种粒子,包括原子、质子、中子、电子,在接受到这些能量后,振动运动就加速,接受的能量越多,振动运动速度就越快,表现出来的就是温度和能量的提升。

    但这种振动和运动是随机的,没有方向和规则的,不属于简谐振动范畴。宇宙中有温度存在,就要振动和运动。只有在绝对零度,就是0 K,-273.15℃状态下,粒子才会停止运动,这种环境下,时空将不复存在,宇宙消亡。
    

补充一个网友的评论

 
“-273.15℃状态下,粒子才会停止运动,这种环境下,时空将不复存在,宇宙消亡”。

中科院总院士张天经表示反对。

-273.15℃,物质的热运动消失,其它运动还是存在的,
核子的运动,电子的运动都存在,
还有零点能,宇宙怎么可能消亡?

参考 微观世界分子原子粒子为什么都在不停的振动或运动?

振动,频率,能量

 
振动是宇宙普遍存在的一种现象,
总体分为宏观振动(如地震、海啸)和微观振动(基本粒子的热运动、布朗运动)。

一些振动拥有比较固定的波长和频率,一些振动则没有固定的波长和频率。

两个振动频率相同的物体,
其中一个物体振动时能够让另外一个物体产生相同频率的振动,
这种现象叫做共振,

共振现象能够给人类带来许多好处和危害。
不同的原子拥有不同的振动频率,发出不同频率的光谱,
因此可以通过光谱分析仪发现物质含有哪些元素。

在常温下,粒子振动幅度的大小决定了物质的形态(固态、液态和气态)。
不同的物质拥有不同的熔点、凝固点和汽化点也是由粒子不同的振动频率决定的。
我们平时所说的气温就是空气粒子的振动幅度。

任何振动都需要能量来源,没有能量来源就不会产生振动。
物理学规定的绝对零度就是连基本粒子都无法产生振动的温度,
也是宇宙的zui低温度。

振动原理广泛应用于音乐、建筑、医疗、制造、建材、探测、军事等行业,
有许多细小的分支,对任何分支的深入研究都能够促进科学的向前发展,推动社会进步。

 
微观掁动是种能量,是分子运动,热的表现,

热传递是振动的传递,

它是不一个物体所有分子都向同一主向运动或同时相同地来回振动,

所以不是宏观振动。

个人总结

 
振动是运动的一种,受 力/力场/能量 作用而动

物体在力的作用下,会不断地做______,这种运动方式叫作振动。只要有声音产生,就一定有物体在______。

通过说的振动指宏观振动,
对物体做一次功,物体就会自行振动一段时间的振动。
有的会产生周期性频率,有的不会。
如果会,这个频率是固定的,是物体的性质。

参考
    微观世界分子原子粒子为什么都在不停的振动或运动?