分摊法算晶胞,1公斤煤比1公斤纸燃烧剩下的灰烬重?
有人说,燃烧反应是电子得失,热核反应是质能转换。就能量守恒,这个说法是不相容的。
空口说白话,不行。分析它们的反应方程式,然后适当加计算,可以了解一个大致。
常见燃烧值(J/kg) 与选用①干木柴 1.2×10⁷ ,②烟煤 2.9×10⁷, ③无烟煤 3.4×10⁷,④ 焦炭 3.0×10⁷, ⑤木炭 3.4×10⁷ ,⑥酒精 3.0×10⁷,⑦柴油 3.3×10⁷,⑧ 煤油 4.6×10⁷ ,⑨汽油 4.7×10⁷,⑩ 氢 1.4×10⁷。
干木柴或纸张,可以看成纤维素。木炭与无烟煤,可以近似作为碳,符合题意。纤维素分子式为(C₆H₁₀O₅)ₙ,碳晶体分子式简写成Cₙ。
分析纤维素的燃烧反应与能量守恒纤维素的分子质量:m=162×1.66e-27=2.7×10⁻²⁵[kg]。
1千克纤维素的分子数:n=3.7×10²⁴个,1个分子燃烧值:Q=3.24×10⁻¹⁸[J]=2eV。
1个纤维素分子的燃烧反应方程式,可以写成:C₆H₁₀O₅+6O₂=6CO₂+5H₂O+Q(3.24×10⁻¹⁸J)。
这是一个分解反应。左右两边的质量守恒,但能量不守恒。那么这个多出的Q从何而来?
显然,纤维素分子中的氢原子与碳原子之间的氢键(H-bond)断裂,结合能Eb被释放出来。
结合能Eb一部分供给CO₂与H₂O的结合能,一部分释放为热能Q。因此能量也是守恒的。
氢键是什么?应该是氢原子活泼的价电子与碳原子的价电子之间的交联。
那么,几个价电子相互交联,为什么具有很强的吸引力呢?是什么介质承载了这个结合能?
根据爱派量子论,电子属于德布鲁伊物质波,是激发真空引力场的光子介质的移动波源。
假设,1个价电子的1次震荡动能激出发第1波阵面的1个光子动能,有:Ek=½mv²=hc/λ。
该光子的波长:λ=2hc/mv²...(1)。假定1个光子的固有质量规定为1个电子质量,对应的真空场引力:F=mc²/r...(2),光子半径:r=λ/2π。
将(1)代入(2):F=G'Ek (=½mv²)...(3),规定光子引力常数为:G'=πcm/h=1.29×10¹²...(4)。
公式(3)的物理意义:价电子震荡速度少许加快,原子或分子内空间的场引力显著加大。
C-H的价电子,由于受到碳原子与氢原子的叠加作用,震荡速度大于氢电子震荡速度。
可见,方程左边的纤维素分子内的光子数及其承载的总能量=方程右边的光子数与总能量。
分析碳晶体的燃烧反应与能量守恒。其燃烧反应方程:C+O₂=CO₂+Q。其中,1个碳原子分摊的燃烧值Q可估算如下。
1kg碳原子的燃烧值为3×10⁷J,1个碳原子质量:m=12×1.66×10⁻²⁷=2×10⁻²⁶[kg],1kg碳原子个数n=1÷m=5×10²⁵个,1个碳原子的燃烧值:Q=3×10⁷÷5×10²⁵=6×10⁻¹⁹[J]。
C-C共价键之价电子的震荡速度,由于有较多核子引力场的叠加作用,明显大于C-H之氢键。进而其燃烧反应所释放的结合能要大得多,为3÷1.2=2.5倍。
方程两边的质量与能量守恒的原理,与纤维素燃烧反应的原理是同一个逻辑,不再赘述。
分析核聚变的热核反应与能量守恒以下是笔者早先时候在头条发表的内容摘要,此次稍加整理,分享如下。
例1:氘+氚→⁴氦+中子,能量守恒!
D(pn)+T(pn|n)→He(pnpn,3.52)+n(14.06)
在高温压下,首先是氚原子发生核裂变,分裂出1个中子,同时相应的释放氚原子的结合能3.52+14.06=17.58MeV的总结合能,然后发生核聚变。能量分配:3.52MeV是氦核的结合能,14.06MeV是核反应的放热能。 显然:方程两边的质量与能量分别守恒。
例2:氘+氘→氚+质子,能量守恒!
D(pn)+D(p|n)→T(pnn,1.01)+p(3.03)
在高温压下,首先是氘原子发生核裂变,分裂出1个质子,同时相应的释放氚原子的结合能1.01+3.03=4.04MeV的总结合能,然后发生核聚变。能量分配:1.01MeV是氚原子的结合能,3.03MeV是核反应的放热能。 显然:方程两边的质量与能量分别守恒。
例3:氘+氘→³氚+中子,能量守恒!
D(pn)+D(p|n)→³He(ppn,0.82)+n(2.45)
在高温压下,首先是氚原子发生核裂变,分裂出1个中子,同时相应的释放氚原子的结合能0.82+2.45=3.27MeV的总结合能,然后发生核聚变。能量分配:0.82MeV是氦3的结合能,2.45MeV是核反应的放热能。 显然:方程两边的质量与能量分别守恒。
例4:氘+³氦→⁴氦+质子,能量守恒!
D(pn)+³He(p|pn)→He(pnpn,3.67)+p(14.6 ) 在高温压下,首先是氚原子发生核裂变,分裂出1个质子,同时相应的释放氚原子的结合能3.67+14.6=18.27MeV的能量,然后发生核聚变。
能量分配:3.67MeV是氦核的结合能。14.6 MeV 是核反应的放热能。 显然:方程两边的质量与能量分别守恒。
结论: 在高温压条件下,核聚变反应,总是存在: 首先是1个反应物进行核裂变,释放1个核子,同时释放该反应物的结合能。 然后进行核聚变。所释放的总结合能,一部分作为新原子核的结合能,另一部分作为核聚变所释放的核反应能。
由此可见,核反应方程的左右两边的质量与能量分别守恒,不存在所谓的质能转换。
特别提示由于洛伦兹变换因子是假定光子是波源发射出来的,而实际是场介质固有的,因此构造函数γ=1/√(1-v²/c²)是不成立的,进而质能转换方程E=mc²也不成立。
好了,本答stop here。请关注物理新视野,共同切磋物理逻辑与中英双语的疑难问题。
1nm会是芯片的终点吗?
对于硅基芯片来说,1nm可能会是这条路线的终点,但是对于人类芯片来说,1nm绝对不会是终点的。
首先、硅基芯片未来会面临很大的发展限制。一直以来芯片的材料都是以硅材料为主,但是随着芯片工艺的不断提升,传统硅基芯片正在逐渐逼近极限,它的极限在哪里呢?那就是1nm。
而1纳米之所以是硅基芯片的极限,这里面主要基于两点考虑:
第一、硅原子的大小。
芯片的制造工艺就是将晶体管注入到硅基材料当中,晶体管越多性能越强,想要提升芯片的工艺,那就要提高单位芯片面积的晶体管数量。
但是随着芯片工艺的不断提升,单位硅基芯片能够承载的晶体管已经越来越饱和,毕竟硅原子的大小只有0.12nm,按照硅原子的这个大小来推算,一旦人类的芯片工艺达到一纳米,基本上就放不下更多的晶体管了,所以传统的硅脂芯片基本上已经达到极限了,如果到了1nm之后还强制加入更多的晶体管,到时芯片的性能就会出现各种问题。
第二、隧穿效应。
所谓隧穿效应,简单来说就是微观粒子可以穿越障碍物的一种现象。
具体到芯片上面,当芯片的工艺足够小的时候,原本在电路中正常流动构成电流的电子就不会老老实实按照路线流动,而是会穿过半导体闸门,最终形成漏电等各种问题。
这种现象并不是硅基芯片达到1纳米的时候才出现,实际上在之前芯片达到20纳米的时候就曾经出现过这种漏电现象,只不过后来包括台积电等一些芯片制造厂家通过工艺上的改进之后才改善了这种问题。
到了7纳米到5纳米之间的时候,这种现象再次出现,只不过ASML发明了EUV光刻机,这大幅提升了光刻能力,所以才能够让台积电、三星等各种厂家顺利生产出7纳米、5纳米、3纳米甚至未来可能出现的两纳米芯片。
但未来随着芯片工艺越来越小,当传统的硅基芯片达到一纳米的时候,各种问题会逐渐暴露出来,到时候即便一些芯片厂家能够突破1纳米大关,但整体的芯片性能估计不会那么好,至少不会太稳定,甚至有可能出现各种问题。
也正因为如此,所以很多人都认为1纳米是传统硅基芯片的极限。
但对人类来说,1纳米绝对不是最终的极限。所谓极限,其实是基于人类现有的技术水平和认知水平而做出的定义,但未来随着人类技术水平,认知水平的不断提升,芯片的极限也会不断取得突破。
就像当初电脑刚出来的时候,一个电脑就像一个房子那么大,当时没有人想到今天的电脑会缩小到笔记本那么小。
再比如芯片,当初在芯片达到20纳米左右的时候,很多人也以为芯片已经达到极限了,尤其是在出现漏电现象的时候,很多人都以为人类不可能攻克这些难题了。
但是这些年在人类技术不断进步,在芯片制造工艺不断提升,在光刻机水平不断提升的情况下,人类却不断突破这种极限,从14纳米到7纳米,再到5纳米再到3纳米,事实证明人类是可以不断向前推进的。
所以我觉得1nm肯定不是人类芯片的极限,未来即便达到物理极限了,但是人类仍然可以通过其他方式提高芯片的性能。
所谓极限,我认为有物理上的极限,以及功能上的极限。
从物理极限上来说,硅基芯片确实会面临最终的终点,一旦芯片达到1纳米,就算能够突破1纳米,但达到0.12纳米的时候,你绝对不可能把硅原子一分为二吧,所以总会有达到物理极限的一天。
但是从功能上来说,人类将来也可以通过工艺上的改进,材料上的改进,来不断提升芯片的性能。
目前提高芯片性能,解决物理极限问题的出路主要有几种路线:
1、以碳基芯片取代硅基芯片。
从目前的科学研究来看,碳基芯片比硅基芯片性能更好,同等面积下的碳基芯片,性能要比硅基芯片高一倍以上甚至几倍以上。
比如有些人就说28纳米的碳基芯片性能就相当于3纳米的硅基芯片,如果未来这种技术能够实现,这意味着一纳米的碳基芯片性能就相当于0.1纳米左右的硅基芯片性能。
2、发展化合物半导体材料。
最近几年化合物半导体发展越来越猛,相比于硅基芯片而言,化合物半导体性能更加优越,这种化合物半导体由多种材料构成,比如氮化镓、砷化镓等等,这些化合物半导体在速度、延迟、光检测和发射方面都要比硅基芯片有更优越的表现,个别化合物半导体的速度甚至比硅快100倍。
按照这个速度来推算,如果这些化合物半导体最终的工艺能够推到2纳米,那就相当于0.02纳米硅基芯片的性能。
3、采用芯片堆叠技术。
最近几年时间,很多企业都在积极发展芯片堆叠技术,简单来说就是把几个芯片堆叠在一起从而提升整个芯片的性能。
比如2纳米的芯片通过多次堆叠之后,它的性能就会大幅提升。
4、芯片主板化。
芯片主板化简单来说,就是在一个芯片上面设置不同规格的芯片,不同芯片用来处理不同的功能,就像主板一样。
比如用于核心计算的芯片可以是3纳米的,但用于处理一些功能比较弱的选项可以用7纳米的或者14纳米的等等。
5、发展量子芯片。
量子技术现在已经越来越成熟,目前包括中国和美国在内,已经成功实现了量子通信、量子计算等一些技术突破,而且量子芯片也在积极推进当中。
如果未来量子芯片能够量产了,人类的芯片将会进入一个新的时代,到时硅基芯片很有可能会被淘汰掉。
量子芯片是利用量子纠缠来进行计算和存储,它的性能将大幅提升,而且提升的效率不是几倍,而是几百倍甚至上万倍。
所以从芯片的发展前景来说,1nm不是人类芯片的极限,至少从功能上来看,人类的芯片性能会不断提升,至于极限在哪里,我们无法预知,因为人类的技术一直在不断进步。
晶体中相邻原子或离子个数的计算?
用分摊法,每个在面与面之间的原子算1/2,每个在顶点的原子算1/4,每个在棱上的原子要看该棱分成几部分,比如说四个正方形构成的棱上的每个原子算1/4
为什么cpu制程工艺非要追求7nm5nm甚至2nm?
cpu制程工艺非要追求7nm、5nm甚至2nm,为什么要追求这么小?这就跟胖子、瘦子、小孩的饭量是一个道理。
体量越大所要占用的空间就越大、消耗就越大,吃的饭也就越多;
体量越小所要占用的空间就越小,消耗也越小,吃的饭也就越少;
如下图:胖子一顿要5碗米饭,瘦子一顿要2碗米饭,小孩一顿1碗米饭都会觉得多了。
CPU做小后,设备的体积就会减小1946年世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学大学诞生,使用了18800个真空管,长50英尺,宽30英尺,占地1500平方英尺,重达30吨,大约是一间半的教室大,六只大象那么重。并且ENIAC只能用于科学计算不能用作其他用途。
现在,微软的Surface Pro X平板电脑,长287毫米,宽208毫米,厚7.3毫米,并且带了WiFi、蓝牙、摄像头、触摸屏、陀螺仪等设备。方寸大小的CPU内就集成了几百亿个晶体管,能够实现各种各样的人机交互操作。
CPU做小后,功耗降低第一台电脑ENIAC由18800个真空管、6万个电阻器,1万个电容器、1500多个继电器和6000个开关组成。ENIAC每小时耗电量超过150千瓦,相当于1500只100W灯泡同时点亮后的耗电总量,这个是相当惊人的耗电量,为此还专门配备了一台30吨重的冷却设备。
现在,手机只有巴掌大,却搭载了一颗强劲的CPU,配备了移动网络、陀螺仪、触摸屏、卫星定位、摄像头等设备。仅需要一块几千毫安的电池,就可以待机好几天。我们可以通过巴掌大的手机上网、 购物、看视频、玩游戏、移动支付等等。
CPU做小后,故障率低第一台电脑ENIAC真空管的损耗率相当的高,几乎每15分钟就可能烧掉一只真空管,操作员需要花15分钟以上的时间才能找出坏掉的管子。
一块手机的SOC(手机的CPU)仅有一块硬币大小,却集成了数百亿的晶体管,这样晶体管因为是在较低的电压和电流下工作,基本上手机用到不想用了,SOC也不会坏。
晶体管取代电子管为电路小型化但又大规模集成奠定了基础与电子管相比,晶体管具有更多的优越性:
1、晶体管构件没有消耗;
电子管会因为阴极原子的变化和惰性气体慢性漏气而逐渐劣质化;晶体管是不需要填充惰性气体,寿命一般比电子管长100到1000倍。
2、晶体管不需要预热,耗电能极少;
电子管需要加热灯丝产生自由电子才能工作,晶体管一开机就可以工作,所以晶体管耗电能是极少的。
举个例子:一台晶体管收音机只需要几节干电池就可以听半年以上,电子管的收音机就很难做到。
3、晶体管结实可靠;
普通晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一,放热很少,耐冲击,耐振动。
CPU做小后主要有以下几个好处:节能:晶体管大了,连接晶体管间的导线就要越粗越多,耗能就越大;晶体管做的越小,连接晶体管间的导线就要越小越少,电流可以走捷径,电阻力小,自然就节能。
性能提高:晶体管越小,同一块芯片单位面积内能工作的晶体管更多了,性能就更好。
减少成本和占用空间:芯片小了,一个硅片能做成更多的成品芯片,很大程度的降低了成本。我们的电脑、手机才可能做得更小、更薄。
终上所述,芯片的工艺制程越做越小是科学技术发展的必然产物,但以目前的工艺制程是不可能无限的做小。当工艺制程无限接近原子的大小时就会触碰到极限,到时候可能就会有新的技术取代现有的芯片工艺制程。
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匀可以组什么词语?
匀可以组成词语如下:1. 匀称:指物体各个部分在质量、形状、大小等方面相等或相似。2. 均匀:指分布、质量、密度等相等或基本相等。3. 均衡:指各个方面平衡、协调。4. 均势:指力的作用相互平衡,物体处于静止状态。5. 均值:指一组数据的平均数。6. 均线:指统计数据按时间顺序排列后,用平均值连接而成的线。7. 均摊:指按比例分配或分摊费用、工作量等。8. 均分:指将总数等分成若干份,每份相等。9. 均等:指各个方面基本相等或相似。等等。