物理學(xué)科探究論文
物理學(xué)是研究物質(zhì)運動(dòng)最一般規律和物質(zhì)基本結構的學(xué)科。下面是小編推薦給大家的物理學(xué)科探究論文，希望大家有所收獲。
在物理學(xué)看來(lái)，能量從一種形式轉換成另外一種形式時(shí)它的總能并沒(méi)有發(fā)生變化，其中所蘊含的能量既不會(huì )增加也不會(huì )減少，既不會(huì )自行產(chǎn)生也不會(huì )憑空消失。這就是熱力學(xué)第一定律的基本思想———能量守恒定律，但是這一定律只規定了能量的數量關(guān)系，并沒(méi)有涉及到能量的轉換過(guò)程。熱力學(xué)第二定律———能量不能自發(fā)地從低溫物體轉移到高溫物體，就解釋了能量轉換的基本方向。熱力學(xué)第二定律表明，只會(huì )做功而不消耗能量的永動(dòng)機是永遠不可能制成的，孤立系統中實(shí)際發(fā)生的過(guò)程必然會(huì )導致其中的熵不斷增加，它永遠沒(méi)有減少的可能。最早提出熱力學(xué)第二定律的學(xué)者是麥克斯韋，后期有許多學(xué)者試圖證明這一理論的錯誤性，但終究還是沒(méi)有成功，直到1951年法國物理學(xué)家布里淵將信息論與統計物理聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行研究，才證實(shí)了麥克斯韋的這一假設。這一假設中的事物交換與信息交換存在本質(zhì)的區別，在事物交換中不可能出現兩者共同擁有的情況，一方的增加勢必導致另一方的減少，但是信息交換則不同，它不必遵循熱力學(xué)定律。
可以說(shuō)信息替代能源是建筑節能的基礎，從布里淵的研究可以看出，信息的傳遞不遵循熱力學(xué)定律，可以利用這一規律在熱力學(xué)允許的范圍內做許多事情，例如通過(guò)技術(shù)手段降低孤立系統中熵的增長(cháng)速率，在生產(chǎn)消費過(guò)程中用信息替代能源。能源是有限的，但是信息資源卻是取之不盡用之不竭的，當前社會(huì )面臨的問(wèn)題是社會(huì )發(fā)展導致能源在不斷減少，能源消耗造成的環(huán)境污染問(wèn)題也在不斷增加，而環(huán)境污染反過(guò)來(lái)又會(huì )嚴重阻礙社會(huì )的發(fā)展，如果一直糾結于物質(zhì)系統，很難找出解決矛盾的方法，而用信息資源代替物質(zhì)能源就難很好地解決這一問(wèn)題。
日常生活中有許多利用信息來(lái)降低能耗的實(shí)例：出行前預先在地圖上標明線(xiàn)路，既能節省時(shí)間又可以降低汽車(chē)的能耗;在房間安裝溫控設施，隨時(shí)了解房間的溫度可以降低取暖能耗;新信息技術(shù)應用于機械設備中可以提高機械設備的工作效率，降低設備的能耗。信息的使用能夠有效降低能耗，同時(shí)信息在建筑節能方面也有著(zhù)十分重要的意義，當前我國引起我國建筑界普遍關(guān)注的高層建筑節能問(wèn)題，就是因為對建筑節能信息了解的缺乏，才導致了設計不合理現象頻繁出現，忽視信息的建筑工程必然會(huì )對整個(gè)建筑造成極壞的影響。
物理學(xué)知識在建筑節能中的運用
(一)以物理手段實(shí)現太陽(yáng)光照明
經(jīng)醫學(xué)專(zhuān)家研究證明，太陽(yáng)光可以降低諸如憂(yōu)郁癥、慢性疲勞綜合征之類(lèi)疾病產(chǎn)生的幾率，采用物理方法將太陽(yáng)光引進(jìn)室內不僅可以增加曬太陽(yáng)的機會(huì )，更有利于人的身體健康。在沒(méi)有機會(huì )到戶(hù)外享受陽(yáng)光的時(shí)候，采用導光管裝置就能將陽(yáng)光引入室內，它主要是通過(guò)物理學(xué)中的反射原理傳遞光線(xiàn)，但是光線(xiàn)的每一次傳遞都會(huì )造成能量的損失，這種導光管裝置不適合長(cháng)距離的光線(xiàn)傳遞。物理學(xué)家愛(ài)德曼茲發(fā)明了一種神奇的裝置，這個(gè)裝置的主體是一個(gè)塑料控板，控板上安裝了許多由激光切割而成的鏡片，這些鏡片按照一定的規律進(jìn)行排列，當太陽(yáng)光照射到塑料控板上時(shí)亮度便會(huì )增強，然后傳遞到每一個(gè)角落。許多科學(xué)家開(kāi)始將研究的重點(diǎn)放在彩色熒光塑料上，他們試圖采用熒光塑料來(lái)采集陽(yáng)光，這項研究的原理是：白色是由紅、綠、藍三個(gè)顏色組合而成，科學(xué)家們嘗試將由這三種顏色的塑料收集到的陽(yáng)光進(jìn)行重新組合，然后就形成了人類(lèi)生活中所需要的白色太陽(yáng)光。通過(guò)這種物理手段形成的太陽(yáng)光所發(fā)出的亮度相當于兩個(gè)75瓦燈泡所發(fā)出的亮度。
(二)利用太陽(yáng)能取暖
要利用太陽(yáng)能進(jìn)行取暖就必須選用熱阻和吸熱系數較大的材料，熱阻是指材阻擋能量進(jìn)行傳遞的能力，吸熱系數是指物體本身吸取熱量的能力。在傳統熱學(xué)工藝中這種方式較為常見(jiàn)，為了滿(mǎn)足工藝需求一般使用熱阻與吸熱系數較高的材料，在減緩熱量傳遞的同時(shí)最大限度地吸收熱量。太陽(yáng)能是取之不盡用之不竭的，充分利用太陽(yáng)能不僅有利于節能，更有利于降低環(huán)境污染，建筑選址最好是選擇陽(yáng)光充足的地方，有利于陽(yáng)光的接受。建筑中的玻璃選用熱阻與吸熱系數較大的材料能夠有效地進(jìn)行能量?jì)Υ�，這些材料在白天吸收大量的熱量，然后使用儲熱墻或者其他儲熱工具將熱量?jì)Υ嫫饋?lái)，在夜間溫度降低時(shí)這些儲熱工具便可釋放出熱量，增加室內溫度。對于冬冷夏熱地區的建筑，要組織調溫，窗外應當設有可以操控的遮陽(yáng)設備，夏日溫度較高時(shí)這些遮陽(yáng)設備可以阻擋高角度陽(yáng)光的照射，冬季溫度較高時(shí)這些遮陽(yáng)設備又可以將低角度陽(yáng)光引進(jìn)室內;也可以在遮陽(yáng)裝置中安裝雙層玻璃，在冬季檔有日照的時(shí)候雙層玻璃的吸熱作用能夠提升室內溫度，晚上關(guān)閉反射膜或者百葉窗，能夠有效的組織熱量的散失，起到保溫節能的作用。
(三)納米技術(shù)在建筑材料中的應用
納米原本只是一種計量單位，當某種材料的粒徑小于100nm時(shí)，它便可以稱(chēng)作是納米材料。納米技術(shù)是上世紀八十年代興起的新興技術(shù)，制作具有小粒徑材料的技術(shù)就是所謂的納米技術(shù)，納米科學(xué)是原子物理、量子物理等多種學(xué)科的聚集點(diǎn)，納米材料具有體積尺寸小的特性，從而就成就了它不同于一般材料的特質(zhì)，如納米材料具有表面效應、體積效應、宏觀(guān)量子隧道效應等特殊性質(zhì)。納米技術(shù)在混凝土生產(chǎn)中的應用能夠有效地提高混凝土的強度，通過(guò)對堿骨反應的抑制能夠有效地提高混凝土材料的耐久性。由于納米材料具有量子尺寸、光催化效應等性質(zhì)，因此采用納米技術(shù)制作而成的混凝土具有分解有毒物質(zhì)、凈化空氣的功效。納米材料的其它功能能夠制成不同功能的混凝土材料，如能夠進(jìn)行智能報警與自我修復的納米材料。納米材料的特殊性能能夠使材料的剛度、強度、韌度等發(fā)生變化，利用這些特殊的性能就可以生產(chǎn)出各種不同的材料，如彈性水泥、延性水泥，抗菌陶瓷、保溫隔熱玻璃、抗菌塑料等具有高性能的材料，這些材料不僅能夠提高建筑物的使用性能，更能降低建筑物的.能耗，有效的降低因能源消耗而造成的環(huán)境污染。
(四)毛細現象在建筑設計中的應用
當液體接觸到具有細微裂縫的物體或者具有較小管徑的細管時(shí)，就會(huì )沿著(zhù)裂縫與細管上升或下降，這種現象就被稱(chēng)作是毛細現象。毛細現象是由于分子間相互作用而產(chǎn)生的結果，紙張吸水、地下水沿著(zhù)細縫上升等都屬于毛細現象，這種現象在建筑中的應用能夠解決許多難題。例如在裝有空調的室內，無(wú)論是夏天的冷風(fēng)還是冬天的熱風(fēng)都會(huì )使人感覺(jué)不舒適，這主要是由于空調吹出的“風(fēng)”會(huì )帶走人體的水分，從而引發(fā)脫水等“空調病”，而新型建筑中的溫控裝置則用水這一傳熱載體取代了傳統建筑中的空氣，這種新型技術(shù)能夠有效的降低人體的不適感。這一技術(shù)正是使用了毛細現象的原理，建筑物的天花板上布滿(mǎn)了網(wǎng)柵，它是由一根根細小的毛細管組成，這些毛細管縱橫交錯形成一張網(wǎng)，毛細管中流通著(zhù)水，冬季溫度較低時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的余熱使管中的熱水不斷流動(dòng)，熱水的流動(dòng)使室內溫度上升，發(fā)電所產(chǎn)生的余熱又使管中的冷水不斷流動(dòng)，從而降低室內溫度。采用毛細現象制成的制冷系統大大優(yōu)于傳統的制冷模式，不僅能夠降低能耗，更能降低身體的不舒適感。
(五)太陽(yáng)墻技術(shù)的應用
太陽(yáng)墻技術(shù)的應用實(shí)際上是太陽(yáng)能技術(shù)應用的一個(gè)范疇，太陽(yáng)能可再生、環(huán)保、便宜等特性一直是能源研究專(zhuān)家觀(guān)眾的焦點(diǎn)，人們不斷開(kāi)發(fā)探索新的途徑來(lái)實(shí)現對太陽(yáng)能的利用。采用太陽(yáng)墻空氣集熱器可以回收墻體的散熱，解決新風(fēng)的預熱問(wèn)題，在增強室內空氣供給量的同時(shí)能夠有效的節省能源。制作太陽(yáng)墻主要采用鍍鋅鋼薄板或鋁制薄板，這些薄板外擁有許多褶皺和小孔，薄板的表面顏色較深，這些板材一般安裝在距離建筑外墻20厘米的地方，并和建筑物頂部的遮雨板連接在一起形成太陽(yáng)墻即熱系統一個(gè)組成部分，另外一個(gè)部分由室內風(fēng)機與管道組成，這兩大部分就構成太陽(yáng)集熱系統的整體。其中薄板上的褶皺主要是用來(lái)增加板材的強度，褶皺可以根據需要的不同而設計不同的形狀，板材上孔洞的數量以及分布規律則是根據實(shí)際需求確定，這主要要考慮到建筑物的功能、特點(diǎn)、所處地理位置、陽(yáng)光充足程度等。冬季，空氣通過(guò)板材上的孔洞進(jìn)入集熱墻，空氣在流動(dòng)的過(guò)程中汲取板材上吸收的熱量，隨后空腔的溫度上升，空氣就受到氣壓的作用進(jìn)入沿著(zhù)管道進(jìn)入各個(gè)房間，為房間供暖;在夜間可以用風(fēng)扇將由室內散失到空腔中的熱空氣重新扇回室內，這樣既能為房間供暖，又能夠為房間不斷輸入新鮮空氣。在夏季則停止風(fēng)扇的運作，室外的熱空氣從孔洞中進(jìn)入空腔，然后又沿著(zhù)空腔上端和周?chē)目障读鞒�，空氣源源不斷的在空腔內流�?dòng)，不僅帶走了室內的熱量，也阻擋了熱量進(jìn)入室內。
物理學(xué)知識在世博館建設中的應用
隨著(zhù)傳統能源的日益枯竭，環(huán)境的日益惡化，人們將更多的目光集中到節能型建筑上，中國2010年第41屆上海世博會(huì )上低碳節能型場(chǎng)館成為了全世界矚目的焦點(diǎn)，其場(chǎng)館建設中許多技術(shù)與知識都和物理學(xué)息息相關(guān)。
(一)馬德里竹屋和空氣生態(tài)樹(shù)
從名稱(chēng)上就可以知道馬德里竹屋建筑材料同其它場(chǎng)館的不同之處，其外墻用一層厚厚的竹窗進(jìn)行覆蓋，竹窗由縱橫交織的竹子編制，在空氣清新的早晨將竹窗打開(kāi)既可以更新室內的空氣又能降低溫度，在中午將竹窗關(guān)上能夠抵擋熱量的進(jìn)入但又不會(huì )閉塞阻擋室內的空氣流通，竹子由于其空心的特質(zhì)能夠起到很好的隔熱與保溫效果�？諝馍鷳B(tài)樹(shù)整體是由鋼鐵構建而成，其外觀(guān)為十邊形，整個(gè)場(chǎng)館的直徑為12米，空氣生態(tài)樹(shù)內部安裝有可以自動(dòng)開(kāi)合的百葉窗與直徑為7米的大型“引風(fēng)機”，建筑物頂端安裝有太陽(yáng)能電池板，整個(gè)建筑可以實(shí)現能源自給，不必消耗額外的能源。生態(tài)樹(shù)外圍用黑色遮陽(yáng)網(wǎng)遮擋陽(yáng)光，雖然白色遮陽(yáng)網(wǎng)能有有效地反射太陽(yáng)光，但由于遮陽(yáng)網(wǎng)表面不平整，太陽(yáng)光在其表面會(huì )形成漫反射，白色遮陽(yáng)網(wǎng)不利于散熱，而黑色遮陽(yáng)網(wǎng)則能吸收太陽(yáng)光，同時(shí)遮陽(yáng)網(wǎng)的結構又能有效阻擋熱量的擴散。
(二)倫敦零碳館
倫敦零碳館最為特別的就是安裝在建筑物頂端的可以自由轉動(dòng)的風(fēng)帽，由于夏天上海的溫度較高，空氣很難進(jìn)入室內，風(fēng)帽的自由轉動(dòng)就能將室外的新鮮空氣引入場(chǎng)館中。另外工作人員將黃浦江底層的水通過(guò)管道引入場(chǎng)館下方，底層的江水溫度較低，用于對空氣降溫再好不過(guò)，由風(fēng)帽采集而來(lái)的新鮮空氣經(jīng)過(guò)江水的降溫后就被輸入場(chǎng)館中。熱空氣中的水蒸氣較多，會(huì )使人感到沉悶，經(jīng)過(guò)江水冷卻后空氣中的部分水蒸氣會(huì )液化，空氣濕度相對較低。零碳館還采用了許多技術(shù)用于節能減排：屋頂鋪設的太陽(yáng)能電池與熱水器能夠有效的將太陽(yáng)能轉化成熱能，供給室內的能量需求;場(chǎng)館玻璃上安裝的太陽(yáng)能電池不僅能夠增加室內的光亮度，又能為室內提供必要的電能;場(chǎng)館外墻上涂有熒光材料，白天墻壁能夠吸收太陽(yáng)能并將其儲存起來(lái)，到了夜間就能發(fā)出光亮用于照明。這些節能技術(shù)基本上都是建立在物理學(xué)的基礎上，諸如太陽(yáng)能電池、熒光涂料等能夠有效降低場(chǎng)館的能源消耗。
(三)漢堡之家館
漢堡之家館外形就如同是四個(gè)打開(kāi)的抽屜，這個(gè)場(chǎng)館的神奇之處就在于它能夠不消耗任何的能源而使場(chǎng)館的溫度永遠維持在25℃左右。漢堡之家之所以具備如此生氣的功能主要就在于其建筑中使用熱傳遞與新能源。漢堡館的朝向同一般建筑物有很大區別，它的整體設計是坐北朝南。設計師為了擴大北面墻體的面積，將北邊一大部分墻體向抽屜一樣向外延伸，而南向則采用了百葉窗與遮陽(yáng)網(wǎng)的設計，這樣的設計既能保證場(chǎng)館內的光亮程度，又能有效地避免陽(yáng)光直射，減少場(chǎng)館的受熱面積。漢堡館的墻體有三層結構組成，其中設有很好的保溫層，能夠有效地阻擋室外的熱量進(jìn)入場(chǎng)館內部;漢堡館的每一塊玻璃都是雙層結構，其中充滿(mǎn)了惰性氣體，不僅能夠進(jìn)行保溫，同時(shí)還能有效地隔絕室外噪音;漢堡館只要能量來(lái)源就是太陽(yáng)能和地熱，地熱所采用的就是地下水冬暖夏涼的原理，冬季溫暖的地下水能夠給場(chǎng)館供暖，夏季涼爽的地下水又能降低室內溫度，而其中地下水的抽取與輸送則完全有場(chǎng)館頂部的太陽(yáng)能電池提供。漢堡館擁有完整的能源系統，完全不需要額外供電。
(四)新加坡館
新加坡館最為顯著(zhù)的特征就是場(chǎng)館表面擁有許多開(kāi)縫，這些開(kāi)縫朝著(zhù)不同方向延伸，場(chǎng)館頂端一個(gè)橫向的360度的大口子特別顯眼。新加坡館整體向內傾斜，下方的陰影帶中不僅設有水池還有綠色植被，風(fēng)從場(chǎng)館上方的大口子吹入場(chǎng)館內部，場(chǎng)館頂端的空氣流通速度同場(chǎng)館內部形成極大的反差，由物理學(xué)知識可以知道空氣流動(dòng)迅速的地方具有較大的壓強，這樣場(chǎng)館內部的熱空氣就從頂端的口子流向室外，而場(chǎng)館外部的空氣則經(jīng)過(guò)陰影帶流入場(chǎng)館;空氣流經(jīng)陰影帶時(shí)會(huì )使得陰影帶中水分蒸發(fā)，變成水蒸氣，而水分蒸發(fā)需要吸收熱量，場(chǎng)館內部的熱量就這樣被陰影帶降低，所以場(chǎng)館內部即使沒(méi)有開(kāi)設空調也可以很涼爽。
總結
在中國的能源消耗排行榜中，建筑耗能位居榜首，而且隨著(zhù)經(jīng)濟發(fā)展的加劇，能源的消耗與日俱增，我國每年建成的房屋總共有16-20億平方米，超過(guò)了所有發(fā)達國家年建筑面積的綜合，這些建筑物95%以上屬于高能耗建筑，且建筑單位面積的能耗差不多是發(fā)達國家能耗的三倍。在這種形式下，相關(guān)部門(mén)迫切需要采取必要手段降低建筑物的能耗，以低能耗作為建筑設計的核心思想。建筑與物理學(xué)有著(zhù)密不可分的關(guān)系，建筑學(xué)的理論與思想基本上都來(lái)源于物理學(xué)知識，物理科學(xué)在環(huán)保建筑中的應用能夠有效的降低能耗，2010年中國世博會(huì )的成功也證明了這一點(diǎn)，世博會(huì )建筑的核心思想就是低碳、低能耗，而物理知識的應用恰恰就幫助其實(shí)現了這一目標，相信物理技術(shù)在今后勢必會(huì )更多的應用與建筑節能，為社會(huì )的可持續發(fā)展做出巨大貢獻。
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