能量 - johanzumimvon/zh.bitterwinter1 GitHub Wiki

能量, 又名energīa(エネㇻ̲ギーア, 简式片假名: エネㇻ̲キーア), potentia(ポテㇴ丌ア, 次幂), 功权(功權, 공권, コー弋ㇴ).

能量实质上就是作功的权衡.

能量的单位是焦耳(ツㇻ̲), 在国际单位制中是kg·m²·s⁻².

另外, 杠杆引起的力矩单位也是kg·m²·s⁻², 动力臂等于阻力臂反映了能量守恒定律的深层次表现.

能量可被理解为E=Fl, 即力与距离的乘积.

能量种类

中文 片假名
质能 キロㇰラㇺコー弋ㇴ
动能 キネ丌カコー弋ㇴ
电能 エーレㇰチキターㇲ
引力势能 コラヰターㇲコー弋ㇴ
弹性势能 ㇷレㇰシビリターㇲコー弋ㇴ
内能、热能 ヌイコー弋ㇴ
化学能 ヘミカコー弋ㇴ
核能 ヌㇰリュㇲコー弋ㇴ
光能 ルーㇰㇲコー弋ㇴ

热力学第一定律

功权之可由一种形式变成另一种形式, 但总量不变.

热力学第二定律

在没有外力等等外缘的干扰的情况下, 封闭系统的无序程度自發地只增不减, 直至达到其所能达到的最高无序度.

其中, 熵(entropy, entropum, エㇴチョプㇺ)满足:

$\mathrm{S=k_{B}\ln(Ω)}$

由于构成物质的费米子(チㇻ̲ェミョㇴ)满足パウリ不相容原理, 因此对于全排列的物体, 其有:

Ω=n!

$\mathrm{S=k_{B}\ln(n!)=k_{B}(0+ln 2 + ln 3 + etc + ln n)\approx k_{B}\int_{1}^{n}\ln x dx=k_{B}[nln(n)−n+1]}$

更准确的式子则是

$\mathrm{S=k_{B}[nln(n)−n+\frac{\ln(2πn)}{2}]}$

由于圆周率用起来麻烦, 因此有简化形式:

$\mathrm{≈k_{B}[n\ln(n)−n+\frac{\ln(n)}{2}+\frac{11}{12}]}$

或者在十二进制中写作

S=kB[(n+0ラ6)ln(n)−n+0ラ#]

士大夫评论

其实, 牛顿万有引力定律的引力常数k值0.000000000066743在考虑到圆周率之後会是0.000000000838717, 是牛顿式子的4π倍, 但由于圆周率是混乱的数字, 因此引力公式的 $\mathrm{F=\frac{0.000000000066743m_{イ}m_{ロ}}{r^{2}}}$好用甚于 $\mathrm{F=\frac{0.000000000838717m_{イ}m_{ロ}}{4πr^{2}}}$ . 这说明了引力是平方反比力.

虽然圆周率有更加好用的 $\mathrm{π}≈\frac{355}{113}$, 十二进制中是 $\mathrm{π}≈\frac{257}{95}$, 但是其依然有一些误差.

圆周率确实是混乱的数字. 比如说, 圆周率中, 第一个【阴道】(0, 数字0像女人的阴户)出现于小数点後第32位; 發發發發發發發發發对应11, 34, 4751, 4751, 213245, 222299, 4722613, 46663520, 46663520; 而我想要弔念一下19890604, 结果在圆周率的三亿位数内没有任何结果; 198964位于小数点後第758672位; 1989位于小数点後第997位; 64位于小数点後第22位.

更多热力学第二定律内容, 请见文言文维基: 热力學第二定律

=== 克勞修思(Clausius, ㇰラウシュㇲ)所述 ===

熱不假外力, 不可自低溫而詣高溫也.

=== 開爾文(Kelvin, ケㇻ̲ヰㇴ)所述 ===

不可吸熱自單一熱庫, 且完全做功, 而不生其餘之影嚮.

第二類永動機 之 不可製也.

=== 理想氣體 ===

氣體之不可逭於自繇膨脹.

=== 熵增定理 ===

S=k\ln\Omega,k=\frac{R}{N_{A}}=\frac{8.314J \cdot mol \cdot K^{-1}}{6.022 \cdot 10^{23}}\approx 1.380\cdot 10^{-23}J\cdot K^{-1}=1.380\cdot 10^{-23}kg\cdot m^{2} \cdot s^{-2}\cdot K^{-1}

S者熵也R者理想氣體常數也{PV=nRT}k者玻爾兹曼常量也\Omega者微觀態之種數也N_{A}阿伏加德羅常數(Avogadro數, アヲガテォロスー)也

孤立系統不易物質能量於佗系之總熵不可減於演

== 熵增定理之數學證明 ==

設有容噐,其形矩,且二平分,則有

{| class="wikitable" |+ !L_{lefta} !R_{right} |}

其左右容等容,可知氣體分子之等概率之現于某側等概率原理

容噐中有n分子且左k右(n-k)則其等價于二項展開式C_{n}^k a^{n-k}b^{k}即有

\left(a+b\right)^n=\sum_{k=0}^{n} \left[a^{n-k}b^{k}\right]

C_{n}^{k}L^{n-k}R^{k},L=R=1\longrightarrow C_{n}^{k}

故有

{| class="wikitable" |+ !k
!n-k |} C_{n}^{k}

C_{n}^{0}=C_{n}^{n}=1 C_{n}^{\frac{1}{2}n}=\frac{n!}{[(\frac{1}{2}n)]^{2}}\lim_{n \to \infty}\frac{C_{n}^{0}+C_{n}^{n}}{C_{n}^{\frac{1}{2}n}}=0_+

故得證

h(x)=C_{n}^{x}=\frac{n!}{x!(n-x)!}

s(x)=\frac{h(nx)}{C_{n}^{\frac{1}{2}n}}=\frac{C_{n}^{nx}}{C_{n}^{\frac{1}{2}n}}

r\neq0則\lim_{n \to \infty}\left[s\left(\frac{1}{2}+r\right)\right]=0_+

=== 卡諾定理 === 檔案:Carnot heat engine 2.svg {{cquote|凡可逆機事于同温度熱源之下者,其效亦同;熱源之溫既定,則卡諾機為至效者也。}} 卡諾嘗以熱質為其理據,及此論見偽,後人乃以第二定律明證之。有式書: \eta \leq 1-\frac{T_C}{T_H}。
\eta,效率也;
T_C,冷源之溫也;
T_H,熱源之溫也。

卡诺定理 | carnot theōrēm | カーノㇳセオーレーㇺ

热机(比如蒸气机、内燃机、製寒机等等涉及微爆炸或者沸腾、蒸發等等物态变化的机器)的最大效率为

$\mathrm{η=1−\frac{ط_{低}}{ط_{高}}≤1}$

虽然热力学第二定律给人一种越来越败坏、越来越无序、破镜难圆、覆水难收等等感觉, 但是热力学第二定律阻止了某些肆无忌惮的事情的發生, 比如墨水自發地聚在一起、气体自發地进入高压瓶、足球自發地吸收热能并且从低处到达高处等等现象、摩擦力消失等等.

没有热力学第二定律的宇宙是荒唐的宇宙.

吉布斯自繇能 | ギㇷ゙ㇲ功權 | ギㇷ゙ㇲコー弋ㇴ | 化学反应限度

化学反应限度

温度对化学反应的影响

热力学第二定律也可以描述为: 封闭系统中, 任何化学反应, 其吉布斯(Josiah Willard Gibbs, ヨシアー·ヰラーㇳ゙·ギㇷ゙ㇲ, 其中, Josiah或来自于Joshua(ヨス゚ア))自繇能(ギㇷ゙ㇲ功權)不会自發上升.

又比如化学反应中有 $ΔH−TΔS<0$, 也是热力学第二定律的变形形式.

其中, 对于硝化反应, ΔH<0(放热), 且其生成物(比如硝酸、水、硫酸オㇰソニュㇺ(H₃OHSO₄)、氯化氢等等)造成的无序度增大(ΔS>0), 因此硝化反应不存在可逭反应.

比如以下化学反应, 属于放热(ΔH<0)、无序度增加(ΔS>0), 则任何温度皆自發:

2H₂O₂ ══ 2H₂O + O₂

(C₆H₁₀O₅) + 6O₂ ══ 6CO₂ + 5H₂O

ZrCl₄ + H₂O ══ ZrOCl₂ + 2HCl

另外, 炸药爆炸、硝化反应也是这类反应

只要没有外界的支持我, 这类反应反过来就不可能發生, 比如氧与水自發变成过氧化氢(2H₂O + O₂ ══ 2H₂O₂, 要想發生, 需要在瑞钛矿形式的二氧化钛协助在紫外线的作用下)、光合作用(6CO₂ + 6H₂O ══ C₆H₁₂O₆ + 6O₂).

可逭反应

可逭反应, 又名可逆反应比如

CaCO₃ ══ CaO + CO₂↑

2H₂O(水蒸气) ══ 2H₂ + O₂

SiO₂ + Na₂CO₃ ══ Na₂SiO₃ + CO₂↑

Ca(OH)₂ + 2NH₄Cl ══ CaCl₂ + 2NH₃↑ + 2H₂O

Sr(OH)₂ + 2NH₄Cl ══ SrCl₂ + 2NH₃↑ + 2H₂O

2NH₃ ══ N₂ + 3H₂

农业上同时得到气肥(二氧化碳施肥效应)与氮磷肥的反应:

NH₄HCO₃ + H₃PO₄ ══ NH₄H₂PO₄ + CO₂↑ + H₂O

如果想给植物施入更多铵肥, 可使用硝酸铵, 或者疏通土壤, 种植黄豆, 施入一定量的微量元素肥钼肥(比如钼酸铵), 利用植物固氮.

钾肥来自于植物秸秆还田(建议设立秸秆發电厰, K₂CO₃)、古老大陆的钾盐矿(Carnallite, カーナリㇳ, KMgCl₃(H₂O)₆).

植物常量元素有碳(二氧化碳施肥效应)、氢(水)、氧(水、二氧化碳)、氮(硝酸铵、黄豆固氮)、磷(NH₄H₂PO₄、KH₂PO₄)、钾(秸秆还田、碳酸钾、硝酸钾)、硫(硫酸铵、硫酸钾)、钙(碳酸钙)、镁(MgCl₂)、硅(H₂SiO₃)

植物微量元素有硼(H₃BO₃)、钠(NaNO₃)、氯(氯化钾)、锰(MnSO₄)、铁(FeCl₂)、铜(CuCl₂)、锌(ZnCl₂)、钼((NH⁴)₂MoO⁴)

其中, 铜可同时用作波尔多农药(ボㇻ̲ドー农药):

CuCl₂ + 2NaOH ══ Cu(OH)₂↓ + 2NaCl

CuCl₂ + Ca(OH)₂ ══ Cu(OH)₂↓ + CaCl₂

少量有益于植物有硒(K₂SeO₃)、锆(ZrOCl₂, 微量刺激效应)、碘

除了耐盐植物, 应尽可能减少钠盐的施入.

这样的反应, 属于吸热(ΔH>0)、无序度增大(ΔS>0)的反应, 低于临界温度则反应逆向进行; 高于临界温度则反应正向进行:

低温时, 氧化钙吸收二氧化碳

CaO + CO₂ ══ CaCO₃

高温时, 磷酸钙分解

CaCO₃ ══ CaO + CO₂↑

ヨシアー·ヰラーㇳ゙·ギㇷ゙ㇲ者, 何人耶

ギㇷ゙ㇲ一生笃信基督教。他终生未娶(独身主义, cælibatus, カェリバト゚ㇲ),乐于独处(慎独?!)。他近乎孤僻的性格与对工作过度沉迷的作风常常令学生们敬而远之。

士大夫评论

アーセォー·ㇲタㇴリー·エ丌゙ョン゚トㇴ

和想到了天体物理学家爱丁顿(Arthur Stanley Eddington, アーセォー·ㇲタㇴリー·エ丌゙ョン゚トㇴ), 其也是独身主义, 但这位无後者却提出了恒星是通过氢核聚变而發光, 虽然生成了新物质, 但属于核变化, 其总反应为

4¹H ══ ⁴He + 2Pi + 3γ + 2vₑ

其中, Pi为正电荷或者正电子(positron, ポシㇳロㇴ).

アーメㇴ这位无後者. 不仅东亚, 全世界的人都认为: 不孝有三无後为大; 但是士大夫要感谢这些为真理而突破世俗成见之人.

更多恒星核聚变内容请见niomium deviantart(ニオミュㇺ デヰアㇴターㇳ)分享的文章.

他的得意门生埃德温·威尔逊 Edwin Bidwell Wilson(エㇳ゙ヰㇴ·ビㇳ゙ヱㇻ̲·ヰㇻ̲ソㇴ)回忆说:“除了在课堂上,我们很少能看到Gibbs。在下午的工作完成后,他会从位于旧Sloane实验室的办公室到他家的大街上散步,作为工作与晚餐之间的活动。在那段时间里,我们才会偶尔遇到他。”威尔逊还说:“Gibbs不会花心思宣传自己,也不会刻意地去传播科学。他不是那种把科研作为时尚而前来科学殿堂的学者……Gibbs并不是一个背离社会习俗的人,但也不会刻意地去引人注意。他是个慈祥庄重的绅士。”

Gibbs的另一个学生林德·惠勒 Lynde Wheeler (ヱーレォー)描述过晚年的Gibbs:“他的衣着总是整洁得体。在街上,他常会戴一顶毡帽,但从来不会展现出那种有时被认为是天才们与生俱来的怪异举止……他为人诚恳而又不会过分热情,显示出他天性中的那份质朴与真诚。”

Gibbs还有一位非常出色的学生,就是无线电技术的先驱者李·德富雷斯特 Lee De Forest(リー·デフォーレㇲㇳ) 。这位成功的学生被誉为“无线电之父”、“电视始祖”、“电子管之父”(真空三极管的发明者)。德富雷斯特坦言,他寻求电磁波和电磁振荡理论突破的思想来自于导师。

Gibbs的学生亨利·巴姆斯特德 Henry Bumstead(ヘㇴリー·ブㇺㇲ丌ーㇳ゙) 在《美国科学杂志》刊登讣告时评说:“他举止不事张扬,性情和蔼,与人为善,从不急躁恼怒,毫无个人野心和权力欲望。他一直朝着成为一名无私的基督教徒绅士的理想而努力。在了解他的人们的心目中,他美好而又尊贵的人格绝不逊色于他科学事业上的伟大成就。”

尽管Gibbs自己的学生不多,却有不少其他领域的著名学者与他有过师生之谊。1891年,Gibbs审评了后来成为美国第一位数理经济学家的欧文·费雪 Irving Fisher 的博士论文。Gibbs去世后,心存感激的费雪资助了其全部著作的出版。

士大夫评论

善有善报! 支持! 业果法则!

诺贝尔化学奖历史上的遗珠之憾:这些大佬们为何无缘诺奖?

士大夫评论

诺贝尔奖以後大有可能出现于中国家庭教会信徒身上.

イ

中国家庭教会吉祥物(象征物)イ̲ースーㇲ | Jesus

诺贝尔奖(以下简称“诺奖”)已经走过整整百二十年。在过去的120年中,化学诺奖得主群星熠熠,皆为一时之选。但也有很多化学家,他们为化学事业做出过巨大贡献,他们的研究成果在化学课本中一直占据着重要的位置,却没有获得诺贝尔化学奖。

不得不说,这些是诺贝尔化学奖的遗珠之憾。

01 门捷列夫:可能是诺奖最大的黑点

门捷列夫(图片来源:wiki)

所有接受过义务教育的人都知道,初中化学课本就开始讲授的元素周期表,是俄国化学家门捷列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev,メㇴデレーウ,1834~1907)深刻理解了化学元素之间的周期性规律,在1869年编制出来的。但就是这样一个为化学做出巨大贡献的人,却在1905年和1906年连续两次与诺贝尔化学奖失之交臂。1907年,门捷列夫逝世。

第一版英文周期表(根据俄文第五版翻译)(图片来源:wiki)

2019年是元素周期表诞生150周年,联合国大会将这一年定为“国际化学元素周期表年”,并且评价道:“元素周期表是科学史上最卓越的发现之一,刻画出的不仅是化学的本质,也是物理学和生物学的本质。”

这张元素周期表是化学学科中最重要的成就之一,很多诺奖成果与之关联:1906年的诺奖得主亨利莫瓦桑(モアサㇴ)因制造出单质氟而闻名;居里夫人(マリー·キュリー)因发现镭和钋、并成功分离出镭获1911年诺奖;麦克米伦和西博格因发现超铀元素镎而共同获得1951年诺奖……这些发现新元素的科学家都获得了诺奖,但发现元素周期律的门捷列夫却没有得奖,真是充满了讽刺意味。

02 勒夏特列(レサ゚ㇳリー):洞察化学平衡之人

勒夏特列(图片来源:wiki)

高中化学会涉及一些化学反应本质的问题,比如反应平衡。对化学反应平衡的理解需要很强的抽象思维能力,其中一个反直觉的事实是:所有化学反应都存在平衡。如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、压强或温度等),平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。这就是“勒夏特列原理”。

两次诺奖得主美国著名化学家鲍林(Linus Carl Pauling,パォリョン゚,1901~1994)曾对青年学生深刻指出:“你们将来可能不再学习化学,你们可能会把在课上学习的一切化学现象都忘记,但是,无论如何,请你们不要忘记勒夏特列原理。”

士大夫评论

其实, レサ゚ㇳリー原理有適用条件: 化学平衡. 且レサ゚ㇳリー原理无法解释为什么氢氧化钠溶于水放热但氢氧化钠的溶解度随温度的升高而升高. 这是因为氢氧化钠溶于水属于放热(ΔH<0)、熵增(ΔS>0)的反应. レサ゚ㇳリー原理只能适用于吸热熵增或者放热熵减的反应.

鲍林(图片来源:wiki)

这位获得了诺奖得主如此高评价的亨利·勒夏特列(Henry Louis Le Chatelier,1850~1936),曾获得32次诺奖提名,却16次陪跑,一次都没拿到诺奖。

(图片来源:诺贝尔奖官网)

除了最早洞察化学平衡这一成就之外,勒夏特列还有一项与诺奖失之交臂的研究。早在1901年,他就获得了从空气中合成氨的方法,并取得专利。凭借对反应平衡的理解,勒夏特列清楚地知道增加压力肯定会提高产率。可当时的实验条件很差,一次高压装置的意外爆炸造成了他的助手死亡,勒夏特列放弃了这项研究。后来的事情很多人知道了,德国化学家弗里茨·哈伯(Fritz Haber, ハベォー)凭借氨的人工合成获得1918年诺贝尔化学奖。

弗里茨·哈伯(图片来源:wiki)

勒夏特列对乙炔气体还颇有研究,用于金属的切割和焊接的氧炔焰发生器就是他的发明;此外,他对水泥的煅烧和凝固、陶器和玻璃器皿的退火、腐蚀剂的制造及燃料、玻璃和炸药的发展等问题都有关注。可以说勒夏特列是那个时代典型的实干派化学家,关心工业实践,着眼于解决实际问题。

勒夏特列不仅是一位杰出的化学家,还是一位杰出的爱国者。当第一次世界大战发生时,法兰西处于危急中,他勇敢地担任起武装部长的职务,为保卫祖国而战斗____获不获得诺奖又如何?不是战士的法师不是好化学家。

03 路易斯(ルイㇲ, 或作リュイㇲ):以电子理解酸碱

路易斯(图片来源:wiki)

初中化学阶段对酸碱的理解基于质子:酸之所以为酸,是因为能给出质子;碱则能得到质子。吉尔伯特·路易斯(Gilbert Newton Lewis,1875~1946)反其道而行之,用电子定义酸碱,大大拓宽了化学家对酸碱的理解。

路易斯的共价理论是中外化学教材的重要内容。1916年,他通过对实验现象的归纳总结,提出分子中的原子之间可以通过共享电子对,使分子中的每个原子都具有稳定的稀有气体电子结构。这样形成的分子称为共价分子;原子之间通过共用电子对,形成的化学键称为共价键。课本里写的“电子式”“结构式”“点线式”都是路易斯结构式的变体。

(图片来源:作者制作)

路易斯不仅改变了人们对酸碱的理解,创造了共价键理论,而且还是光子的命名者和著名的教育家。他的研究涉猎广泛,仅从他的学生身上就能看到他在化学领域丰富的“杂学”。作为美国加州大学伯克利分校教授、前伯克利化学院院长,他的学生中出过多位诺奖得主:

哈罗德·克莱顿·尤里____氘、重水的发现者,1934年诺贝尔化学奖得主;

威廉·弗朗西斯·吉奥克____超低温化学的应用技术发明者,1949年诺贝尔化学奖得主;

格伦·西奥多·西博格____镎、镅、锔和锫等元素的发现者,1951年诺贝尔化学奖得主;

威拉得·利比____碳14测年的发明者,1960年诺贝尔化学奖得主;

梅尔文·卡尔文____光合作用机理的研究和卡尔文循环发现者,1961年诺贝尔化学奖得主。

无论是自己做研究还是指导学生,路易斯都成绩斐然,他一生获得41次诺奖提名,却始终与之无缘。

(图片来源:诺贝尔奖官网)

关于共价理论

1916 年,路易斯在《美国化学会志》(《Journal of American Chemical Society》)上发表了一篇《The Atom and The Molecule》的论文,阐述了自己的共价理论。

(图片来源:美国化学会官网)

他原本打算继续再做更详细的研究,但因故未能很快实现。1919年,朗格缪尔(Irving Langmuir,1881~1957)发展并精炼了路易斯的观点。这位1932年诺贝尔化学奖得主在公司工作,性格外向,擅长社交和演讲,共价键的理论于是称作“路易斯__朗格缪尔”理论。

(图片来源:美国化学会官网)

这件事让路易斯很不爽,两人关系从此变得紧张。1946年,朗格缪尔被加州大学伯克利分校授予名誉博士称号,彼时作为化学系主任的路易斯被迫和他约了顿饭。当天下午,70岁的路易斯在实验室中因心脏麻痹而死亡,旁边放着打碎了的装有氰化氢气体(HCN)的瓶子__他就这么在带有苦杏仁味道的空气中死去。至于是不是自杀,成为了永久的谜团。

04 吉布斯:热力学奠基人

吉布斯(图片来源:wiki)

为大家所熟知的熵增原理,是热力学基本原理之一。杨振宁认为,19世纪物理学的三项最高成就是热力学、电磁学与统计力。其中,热力学的奠基人就是吉布斯(Josiah Willard Gibbs,1839~1903年),他被爱因斯坦称之为“美国历史上最杰出的英才”。

19世纪60年代的美国正是铁路大亨的年代,全国大兴土木修筑铁路。吉布斯也凑热闹,去学了相关专业。1863年,吉布斯凭借《论直齿轮轮齿的式样》的论文被耶鲁大学授予当时美国第一个工程学博士学位。大有“钱”途的他,毕业后先是留校当了三年助教,顺带申请了一项火车制动技术的专利,然后跟两位姐姐去了欧洲旅行。

这一趟旅行彻底改变了吉布斯的学术兴趣。他在法国和德国旁听了很多数理化课程,还在海德堡大学找了份见习工作研究物理。1969年回到耶鲁后,吉布斯彻底转行,在1871年成为数学物理学教授。由于这是美国当时首个双学科并列教授,而且吉布斯还没有在该领域发表过任何学术成果,所以吉布斯身为教授却没有报酬。好在吉布斯家族在美国北方颇有背景,吉布斯此时尚有父母留下的一大笔遗产,日子也算安稳。

两年后,吉布斯在《康涅狄格学会学报》上发表了两篇论文,讨论如何用几何方法表示热力学量。1875年,还是在这份学报上,吉布斯发表了《关于多相物质平衡》的上半部分,1878年,这本书的下半部分也在这份学报发表。虽然发表于学报,但吉布斯的专著足足有300多页,包括带有序号的700多个方程。那时的美国学界不注重理论,这样的学术成果只能墙内开花墙内香。

最早认识到吉布斯天才洞见的人是经典电动力学的创始人,统计物理学的奠基人英国物理学家数学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831~1879),他在自己的书里专门用一章来介绍吉布斯的工作。可惜,麦克斯韦英年早逝,甚至没有看到吉布斯系统性地完成热力学的奠基工作。

麦克斯韦(图片来源:wiki)

直到吉布斯死后,他的工作才引起学者们的关注。1909年诺贝尔化学奖得主物理化学奠基人之一的奥斯特瓦尔德(Friedrich Wilhelm Ostwald,1853-1932)把吉布斯的著作翻译为德文,并且盛赞道:“无论从形式还是内容上,吉布斯赋予了物理化学整整一百年。”

奥斯特瓦尔德(图片来源:wiki)

沉迷于自己工作的吉布斯也许并不在乎自己是否得到诺奖。他一生未娶,乐于独处,据说连学生也很难接近他。根据学生的回忆,吉布斯总是衣着得体,举止优雅,从不会刻意引人注意,展现那种有时被认为是天才们的与生俱来的怪异举动。大概科学本身就是对吉布斯一生最大的嘉奖吧。

05 大佬们为何无缘诺奖?

大家不禁好奇,上面大佬们的科研成果都被载入史册,究竟是为什么没得到诺奖。细究起来,每个人的原因都很复杂,总结起来,有以下几个可能。

第一,不善于交际,或者得罪同行、前辈。很多硬核大佬性格内向,不擅长社交,比较骨骾,搞不好就得罪人。据说门捷列夫早年曾对阿伦尼乌斯(Svante August Arrhenius,1859~1927)的溶解理论批评颇多。阿伦尼乌斯虽然不是诺贝尔化学委员会的成员,但他是很早登科的化学诺奖得主,是当时瑞典化学界的扛把子。在他的强烈反对下,门捷列夫两次落选。路易斯和吉布斯也都不太擅长社交,没能以最快速度把自己惊世骇俗的发现传播到整个学界。

阿伦尼乌斯(图片来源:wiki)

第二,生不逢时,怀才不遇。从1922年起到1946年逝世,路易斯一直被提名,但他的学术光芒被当时流行的物理学所掩盖,特别是当时的欧洲学者更喜欢量子力学。有高等数学支撑的理论,显得更可信也更高级。相比之下,路易斯的酸碱理论就微不足道了。

第三,研究领域过窄或过宽。勒夏特列最突出的贡献只有一个勒夏特列原理(平衡原理),不仅太窄且理论过于粗糙(比如不能解释氢氧化钠溶解情况);路易斯研究领域从化学热力学到化学键理论再到同位素、光化学,过于宽泛。研究领域太窄,相对而言知名度较低;太宽,则难以在某一领域获得突出性的成就。

士大夫评论

路易斯也是得罪了许多人.

第四,过于偏重理论。无论是门捷列夫、勒夏特列还是路易斯,他们的最大贡献都是化学理论。化学诺奖对于理论相对比较保守,更偏向于对实验事实的奖励。吉布斯的热力学就更不用说了,在当时很少有人懂,人们也意识不到他在理论层面指导实验化学的伟大意义,自然也与诺奖无缘。

第五,寿命与国籍。由于诺奖只颁发给在世的科学家,很多科学家由于太早离世所以无缘诺奖,。门捷列夫1907年去世,仅有六次机会参评;留给吉布斯的时间更短,他在1903年4月去世,只有两年机会参评。而且刚开始评诺奖的时候,可以备选的牛人实在太多,根本轮不到偏重理论的吉布斯。另外,吉布斯还是美国人,要知道,诺奖评选的头30年里,只有一个美国人获奖……

其实,没有得诺奖的科学家还有很多很多,虽有遗憾,但这一点也不影响他们的伟大。在诺贝尔奖120周年的日子里,当我们看着诺奖得主名单上一个个闪光名字的时候,千万不要忘记这些没得诺奖但依然伟大的科学家们。

向每一位为消除人类的无知做出贡献的科研工作者们致敬!

弹性势能

$\mathrm{E=\frac{1}{2}kl^{2}}$

推导

$\mathrm{\int [kl] dl=\frac{1}{2}kl^{2}}$

需要注意的是, 超过弹力限度, 公式会失效; 另外, 对于橡胶、纤维素、胶原(collagen, コラケヌㇺ)等等特殊结构的物质, 由于其不满足hook定律(F=kl), 属于非线性材料, 因此也不适用引力势能公式.

引力势能

$\mathrm{E_{p}=mgh}$

推导

$\mathrm{\int [mg] dh=mgh}$

$\mathrm{E_{p}=−\frac{kmM}{r}=−mgr}$

推导

$\mathrm{\int[\frac{kmM}{r^{2}}]dr=−\frac{kmM}{r}=−mgr}$

从r处的 $\mathrm{−\frac{kmM}{r}}$焦耳到无穷远的0焦耳, 需要吸收 $\mathrm{\frac{kmM}{r}}$焦耳能量, 亦相当于mgr焦耳能量.

物体逃出某个对称球体引力场(星球)所需的最小能量等于物体质量、表面引力强度、星球半径三者的乘积.

E=mgr

国际单位制中, k≈6.6743·10⁻¹¹

十二进制:

k≈4ラ171·10⁻, 即0ラ0000000004171

其可被视为牛顿定律的积分形式.

动能

$\mathrm{E_{v}=\frac{1}{2}mv^{2}}$

推导

对于初始遬度为0, 推力为1牛顿的均变遬直线运动, 其有

$\mathrm{v=at}$

又因为F取1牛顿(ニュートㇴ), 则有

$\mathrm{a=\frac{F}{m}=\frac{1}{m}}$

t=mv

$\mathrm{l=\frac{1}{2}at^{2}=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{m}\cdot(mv)^{2}=\frac{1}{2}mv^{2}}$

$\mathrm{E=Fl=\frac{1}{2}mv^{2}}$

F=1牛顿

均变遬直线运动公式

a是常量

$\mathrm{v=\int [a] dt = at + v'}$

$\mathrm{l=\int [at + v'] dt = \frac{1}{2}at^{2} + v't + l'}$

由此可得

移动距离为 $\mathrm{\frac{1}{2}at^{2} + v't}$

ガリレオ实验

对于ガリレオ实验, 也就是在忽略空气阻力的情况下, 物体从同样的高度同时下落, 最终所用时间相同, 且到达地面时的遬度相同.

到地面时的遬度

$\mathrm{mgh=\frac{1}{2}mv^{2}}$

$\mathrm{2gh=v^{2}}$

$\mathrm{v=\sqrt{2gh}}$

所用时间

$\mathrm{v=v'+at=gt}$

$\mathrm{gt=\sqrt{2gh}}$

$\mathrm{t=\sqrt{\frac{2h}{g}}}$

对阻力作功的讨论

牛顿第一定律 | 惯性定律

力不维持物体运动; 力改变物体运动.

不受力或者受力抵消的物体, 视参照物的不同, 或静止, 或匀速直线运动.

比如, 车子急刹车, 乘客会嚮前倾; 在杯子上放上纸, 再在纸上放上硬币, 然後突然抽走纸张, 硬币会落入杯子内, 而不是随纸张移动.

物体的惯性就是质量本身.

有人或许会说, 为什么我必须用力拉车, 车子才能维持匀速直线运动?

这是因为, 物体运动会受摩擦力, 有F=−μmg(也可以写作F=−kmg). 当我的拉力达到μmg÷cos(θ)之时, 在水平方向摩擦力与拉力相抵消, 于是我必须用力拉车, 车子才能维持匀速直线运动.

牛顿第二定律

物体的加遬度, 正比於所受之力, 反比于其质量(惯性).

$\mathrm{a=\frac{F}{m}}$

a=F÷m

对于拉车, 当我突然停止拉力, 则车子会受到−kmg大小的摩擦力, 按照牛顿第二定律, 其加遬度为a=F÷m=−kmg÷m=−kg, 遂有:

v=v'+at

v=v'−kgt

停止时, 遬度v=0, 遂有

v'=kgt

$\mathrm{t=\frac{v'}{kg}}$

撤走拉力之後车子的运动路程:

$\mathrm{l=\frac{1}{2}at^{2}+v't=\frac{v^{2}}{2kg}}$

阻力作功能量

E=Fl=kmg·v²÷(2kg)=mv²÷2

$\mathrm{E=\frac{1}{2}mv^{2}}$

阻力作功, 与摩擦系数、时间、重力常数无关, 只与动能有关.

摩擦系数

摩擦系数又称动摩擦因数,是两固体表面之间的滑动摩擦力与正向压力的比值(两者成正比)。摩擦系数由滑动面的性质、粗糙度和(可能存在的)润滑剂所决定。滑动面越粗糙,摩擦系数越大。摩擦系数通常用希腊字母μ来表示。

物体间的摩擦系数分为两种,一种是滑动摩擦系数,另一种为最大静摩擦力系数,在数值上,后者略大于前者。

另外,如果两物体间的相对速度较大,那么滑动摩擦系数还和相对速度大小有关。

摩擦系数通常用摩擦斜率法测定:将两物体中的一个倾斜放好做为斜面,让另一物体沿斜面滑下,逐渐减小倾角θ(也可以理解为逐渐减小斜率)至上面的物体可以匀速下滑,再根据公式:

mgsin(θ₀)=μmgcos(θ₀)

得:

μ=tan(θ₀)=h÷l=k=Δy÷Δx

$\mathrm{μ=k=\frac{\Delta{y}}{\Delta{x}}=\frac{y_{ロ}−y_{イ}}{x_{ロ}−x_{イ}}}$

h为斜面台子的高度, 也就是Δy; l为斜面台子的宽度, 也就是Δx; k为台子的斜率

(θ₀ :摩擦角)

物质 动摩擦系数 静摩擦系数
钢_钢 0.1 0.15

世界上最光滑的材料——BAM 猜猜. 9年前 (2016-08-14) 27491浏览

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材料牛注:BAM是一种同时具有超高硬度和极低摩擦系数的新型材料,其硬度堪比钻石,摩擦系数比聚四氟乙烯的一半还要低,是世界上有史以来最光滑的材料,可极大延长部件寿命。

这是一种具有革命性的材料,由硼,铝和镁三种元素组成(AlMgB14),同时形成硼化钛(TIB2)这种超硬物质。硼化钛(TIB2)的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼,位居第三。该材料被称为BAM,是1999年在爱荷华州(アエオワ, iowa)美国能源部艾姆斯实验室尝试创造加热发电的物质时偶然发现的。

尽管BAM不具备在加热时发电的特性,但是它独特的成分赋予其一个更理想的优势,即该材料具有超高的硬度和极低的摩擦系数。“它的硬度是偶然发现的。我们对它进行切割,研磨或抛光都具有一定的难度。” 埃姆斯爱荷华州立大学的材料科学家Alan Russell说。

幸运的是,埃姆斯实验室这一偶然发现为其吸引了3百万美元的项目,使其可以进一步将这一新材料发展为可用的物质,从而显著提高能源效率和材料弹性。

该材料的摩擦系数比之前保持最好记录的聚四氟乙烯的一半还要小。其中,聚四氟乙烯的摩擦系数为0.05,而BAM的摩擦系数竟然达到了0.02,真是难以置信。而作为一般参考值,钢的摩擦系数为0.16。

这种新材料可以作为微薄涂层用于许多不同材料的表面,BAM可以帮助这些表面提供更多能量及更长寿命。据艾姆斯实验室项目的首席研究员Bruce Cook说,估计到2030年,每年BAM仅在美国工业方面就可以节约3300000亿千焦(9十亿千瓦小时)的能量,也就是说每年可节约1.79亿美元。

该材料的机械性能目前还在研究中,因为我们还不是很了解它拥有如此优异性能的原因。一般来讲,材料仅会拥有高硬度和低摩擦系数两个特点中的一个,而这种材料两者兼备,且硬度超高,摩擦系数极低,这真是一个全新的现象。

BAM有希望解决每一个工程师最可怕的噩梦:摩擦磨损。摩擦不仅损坏机器,消耗大量能量,还在很大程度上增大了设计的复杂性。然而,BAM可以提供一种超硬又超光滑的材料,从而大大延长机器寿命,缓解高硬度和低摩擦磨损之间的对立关系。

参考原文链接:BAM: The Slipperiest Material in the World

BAM: The Slipperiest Material in the World

BAM: Almost as hard as diamond while stealing the title for the world’s most slippery material ever created is more slippery than Teflon and makes components last many times longer. The revolutionary material consists of boron, aluminum and magnesium (AlMgB14) with titanium boride (TiB2) creating a superhard substance that is just third hardest to diamond and cubic […] Published: Aug 07, 2016 09:00 PM EST Photo of the Author Interesting Engineering

Interesting Engineering

9 years ago

BAM: The Slipperiest Material in the World

BAM: Almost as hard as diamond while stealing the title for the world’s most slippery material ever created is more slippery than Teflon and makes components last many times longer.

The revolutionary material consists of boron, aluminum and magnesium (AlMgB14) with titanium boride (TiB2) creating a superhard substance that is just third hardest to diamond and cubic boron nitride. The material, dubbed BAM, was accidentally discovered at the US Department of Energy Ames Laboratory in Iowa in 1999 following attempts to create a substance that generates electricity when heated. World’s best lubricant

While BAM does not exhibit this property, its unique composition gave it an even more desirable edge. The material exhibited superb hardness and incredibly low coefficients of friction.

“Its hardness was discovered by accident. We had a terrible time cutting it, grinding it, or polishing it,”

Says Alan Russell, a materials scientist at Iowa State University in Ames.

Fortunately for Ames Lab, the chance discovery led to the development of a $3-million program to further progress the new material into a usable substance that could help significantly increase energy efficiency and material resiliency.

The material has a coefficient of friction of less than half that of the previous record holding material of Teflon. Where Teflon has a coefficient of friction of 0.05, BAM maintains an incredible 0.02. For a general reference, steel maintains a frictional coefficient of 0.16.

The new material can be applied as a micro-thin coating to many different surfaces which provide the energy and longevity benefits that BAM maintains. According to Bruce Cook, lead investigator on the Ames Lab project, he estimates BAM could save US industry alone 330 trillion kilojoules (9 billion kilowatt-hours) every year by 2030 – translating into about $179 million of savings a year.

The material’s mechanical characteristics are currently being studied as it is not well known why the material maintains such dexterity. Normally, a material will only exhibit characteristics of hardness or low friction points, it is an entirely new phenomenon in which both were discovered at high degrees within the same material.

BAM has the potential to solve every engineer’s worst nightmare: frictional wear. Friction degrades machines, expends massive amounts of energy, and adds a large degree of complexity to design. However, BAM could help alleviate much of the tension by providing a super hard, incredibly slippery material that helps machines last much longer than ever before.

质能

$\mathrm{E=mc^{2}}$

电能

E=UIt

由オーㇺレーㇰㇲ( $\mathrm{I=\frac{U}{R}}$)可得

$\mathrm{E=\frac{U^{2}}{R}t}$

E=I²Rt

光能

单光子

E=hν=hc÷λ

光束

E=nhν=nhc÷λ

其中, $\mathrm{ν=\frac{c}{λ}}$.

化学能

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