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挑战焦耳定律解读能量守恒定律之2

(2011-02-05 11:12:56)
标签:

杂谈

挑战焦耳定律解读能量守恒定律之2

笔者在22日发表该博文, 网友们提出了许多不同意见, 本文结合纯电阻性电路和电感、电阻性电路再次对焦耳定律的合理表述做深入探讨.

[1] 纯电阻性直流电路

(1) 当电路电压U不变, 电阻Ω改变, 忽略连接导线电阻和电压降, 当电路接通电源后, 开始电流I达到最大值, 随电阻温度上升, 由于分子热运动, 开始出现电阻增大电流减小并出现亏损电流I’. 取平均电阻Ω和和平均电流I-I’. 将焦耳定律写成

Q=U(I-I’)t                    (1)

令电压U=100, 电阻Ω=10欧姆,I=10安培, 则对应亏损电流(包括电子和正电流)的质量变成光的热辐射, 有ΔQ=1000J(焦耳)

Δm=ΔQ/C^2=1.112650056*10^- 14 kg

1安培电流在1秒内输送的电量,1库仑=1安培*1, 1库仑约相当于6.25*10^18个电子的电量, 对应的10安培电子质量

m=6.25*10^18*9.109534*10^-31*10=5.69345875*10^-11 kg

即有系数  η=Δm/(m-Δm)=I’/(I-I’)=1.9546423*10^-4   (2) 

U=100, 电阻Ω=5欧姆,I=20安培, ΔQ=2000J, 对应

         Δm1=2Δm=2.225300112*10^-14 kg

         m1=2 m1=2m=1.13869175*10^-10 kg

        η=Δm/(m-Δm)=I’/(I-I’)= 1.95464234*10^-4   (3)

……即当电压不变, 电阻改变系数η在一定范围是常数, 焦耳定律可近似表示成Q=UI. 但是当电阻很小接近短路状态时, 由于亏损电流迅速增大, 电阻内的电流将全部转化成热的弧光辐射将电阻烧毁.

(2) 当电路电压U改变, 电阻电阻Ω=10欧姆不变时. U=200, I=20安培,ΔQ=4000J,

         Δm=4.450600224*10^-14 kg

         m=1.13869175*10^*-10 kg

ζ↓1=Δm/(m-Δm)=I’/(I-I’)=3.910048905*10^-4       (4)

U=300,Ω=10欧姆, I=30安培,ΔQ=9000J,

          Δm=1.00138505*10^-13 kg

            m=1.708037625*10^-10 kg

ζ↓2=Δm/(m-Δm)=I’/(I-I’)=5.866220216*10^-4    (5)

……

U=10000,Ω=10欧姆,I=1000安培 ,ΔQ=10000000J,

           Δm=1.112650056*10^-10 kg

            m=5.69345875*10^-9 kg

ζ↓n=Δm/(m-Δm)=I’/(I-I’)=0.01993212896        (6)

通过上述计算, 我们看到随着电路电压升高, 在理论上亏损电流不断增大,U=100伏到U=10000, 系数ζ↓n也随之增大. 事实上, 早在某一电压Un极限上, 直流电路中电阻已因亏损电流过大而发生电弧光的热辐射而被烧毁.                                    

[2]下面谈谈电感、电阻型电路的焦耳定律.                       

为了减小亏损电流的热辐射造成传输功率的下降, 一般在远程输电网中都采纳高电压、低电流的交流传输模式. 例如,输送的电功率是1000KW;电压U=10000V, 则输电电流I=1000000W/10000V=100安培, 据公式(1)Q=1000000J, 对应的亏损电流质量为

Δm=1000000/C^2=1.112650056*10^-11m kg

m=5.69345875*10^-10 kg

δ=Δm/(m-Δm)=I’/(I-I’)=0.01993212896       (7)

公式(7) 计算表明交流高压传输功率损失约2*1000000W=200000W

焦耳定律在一般范围内定量计算是近似正确的, 而且在工程计算中应用了70年之久.本文挑战焦耳定律的目的, 在于说明相对论的质能转换能量守恒定律ΔE=ΔQ=ΔmC^2,和量子论以及热力学之间关系. 究竟光量子与电子有什么关系? 正电子和电子相遇可以产生光量子辐射, 光量子在原子核附近相遇又可以转换成电子, 光量子通过p-n结的硅板又变成电子笔者一直在回避谈光量子的结构模型, 是害怕少数网友的恶意指责…(希望那位网友不要再看到第二遍新年小品的续集了…).

 

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