第一章 空间与物质

第五节  新陈代谢

陈：陈旧的；代：替换；谢：凋谢，衰亡。指生物体 不断用新物质代替旧物质的过程。也指新事物不断产生发 展，代替旧的事物。

新陈代谢是生物体内全部有序化学变化的总称，其中 的化学变化一般都是在酶的催化作用下进行的。它在性质 上分成物质代谢和能量代谢 :

物质代谢 : 是指生物体与外界环境之间物质的交换和 生物体内物质的转变过程。可细分为 :

从外界摄取营养物质并转变为自身物质。( 同化作用 )

自身的部分物质被氧化分解并排出代谢废物。( 异化作用 )

能量代谢 : 是指生物体与外界环境之间能量的交换和 生物体内能量的转变过程。可细分为 : 储存能量 ( 同化作用 )；释放能量 ( 异化作用 )。

方向上 : 分成同化作用和异化作用 :

同化作用 :( 又叫做合成代谢 ) 是指生物体把从外界环 境中获取的营养物质转变成自身的组成物质，并且储存能量的变化过程。

异化作用 :( 又叫做分解代谢 ) 是指生物体能够把自身 的一部分组成物质加以分解，释放出其中的能量，并且把 分解的终产物排出体外的变化过程。

新陈代谢是动植物的特有本质，但不是它的专利。在 大自然中，非生命的物体也在进行着新陈代谢。在物理学上， 新陈代谢是物体带电的本质，是物体带电的根源。在宇宙中， 没有哪一种物质无时无刻不在进行新陈代谢。

代谢守恒定律 在新陈代谢过程中，不仅仅有物质的 质量的代谢，还有其能量的代谢，电荷的代谢和动量的代 谢等等许多方面的代谢。在一孤立系统中，如果没有本质 上的改变，其新陈与代谢的量总是相等的。也就是说，物 质的新陈代谢的总量为零，是一恒量，即物质的新陈代谢 是守恒的。

就拿电子来说，它属于顺粒子的范畴。其负端由于点 子密度较小，吸纳点子的速度和量与其正端由于点子密度 较大，释放点子的速度和量正好相等。也就是说，在一孤立系统中，如果没有本质上的改变，其新陈与代谢的量总 是相等的。即物质的新陈代谢是守恒的。而这里的电子， 虽然内部的物质由于新陈代谢的作用，发生了改变，但它 还是电子，其自身并没有发生改变。

例如，碳在空气中燃烧，放出热量。

C +O ₂→CO ₂+热量

很显然，这是一种化学反应。

在该系统中，碳与氧气结合，生成了二氧化碳，放出 了热量。在这个化学反应中 ，反应前后物体的结构和性质 发生了改变。是一种自身发生改变的物质的情况。但是物 质是无穷可分的。把它用极小单元看，它的物质的总量没 有变，能量的总量没有变。也就是说，它们在整个系统中， 新陈代谢的总量仍然没有改变。在这整个系统中，没有外 界系统的干扰，可认为是孤立的系统，其新陈量和代谢量 是相等的，总量为零，是个恒量。

综合诸多的物理，化学变化，可以得出：在孤立系统中， 如果没有本质上的改变，其新陈与代谢的量总是相等的。 也就是说，物质的新陈代谢的总量为零，是一恒量，即物 质的新陈代谢是守恒的。

在新陈代谢的过程中，非生命体同样存在着同化作用 和异化作用。当顺向能量作用于物体时，其物体会从周围 吸收物质成为自己的一部分。这就是，物体的运动速度接 近或达到光速，其质量显著增大的原因。相反的过程也可 以发生，当逆向能量作用于物体时，其物体会向周围释放 物质，使其质量减小。如量子的跃迁现象。

新陈代谢守恒的内容 新陈代谢是物理学上极其重要的 一个定律。它的应用极广，可称为一把万能钥匙。

(1) 能量守恒定律 在现实的生活中，常常与能量打交 道。给电动机通电，电动机把电能转化为机械能 : 用水力 推动发电机的叶轮，机械能转化为电能。给蓄电池充电， 电能转化为化学能 : 在锂电池中，化学能转化为电能。给 电炉通电，电炉发热，电能转化为热能；给热电阻加热， 热能转化为电能。用太阳光照射太阳能电池，太阳能转化 为电能 : 给 灯泡通电，电能转化为光能 .... 也就是说， 能量之间可相互转化。

能量的形式很多，有机械能、光能、电能、热能、化学能、 原子能等等。

能量之间不仅能够相互转化，而且能够相互传递。给 铁棒的这一端加热。过一段时间，那一端也跟着热了起来。

由代谢守恒定律可得，能量既不会产生，也不会消失， 只会由一个地方转移到另一地方， 由这个物体转化到那个 物体，或者从一种状态转化为另种状态 : 从这种形式转化 为另种 形式，而能量的总值不变。这就是能量守恒定律。

(2) 质量守恒定律 物体所含物质的多少， 称为质量。 它是物体本身的属性。把一个物体转移到另一物体上，成 为另物体的一部分。在这搬运的过程中，物体由静止状态 变成了运动状态。把气体变成液体，把液体变成固体或者 气体直接变成固体。同样，把液体变成气体，把固体变成 液体或者把固体直接变成气体。此时，物体的形式发生了 改变。

由此可见，物体的质量不仅仅可以转移，还可以从一 种状态转化为另种状态或者从一 种形式转化为另 -种形式。

根据代谢守恒定律可得，质量既不会产生，也不会消失， 只会由一个地方转移到另地方，由这个物体转化到那个物体，或者从一种状态转化为另种状态 : 从这种形式转化为另一种形式，而质量的总量不变。这就是质量守恒定律。

(3) 电荷守恒定律 电荷是物质新陈代谢作用才表现出来的。电荷不仅仅能够转移，还可以从一种状态转化为另一种状态或者从一种形式转化为另种形式。

把负电荷逐渐加到一个原来带正电的物体上去时，物 体所带的正电荷先是逐渐减少，以 至完全失去，只有在完 全失去正电荷之后，物体才开始显出带负电的性质。反之， 一个原来带负电的物体，也必须在负电荷逐渐减少以至完 全失去之后，才能带上正电。由此可见，异号电荷可相互 中和。电荷也可相互转化，用交流电给变压器通电，电性 电荷转化为磁性电荷 : 磁性电荷转化为电性电荷。电性电 荷与磁性电荷同属于电荷，但它们在性质上是有区别的。 正如作用电荷与作功电荷一样。

根据代谢守恒定律可得 :电荷既不会创造，也不会消灭。 电荷只能从一一个物体转移到另一物体，或者从物体的一 部分转移到另部分。 从这种形式转化为另种形式。 而电 荷的总值不变。这就是电荷守恒定律。这个定律也可叙述 如下 : 在一孤立系统中， 无论发生怎么样的变化，该系统 的电荷的总值保持不变。

(4) 动量守恒定律 在习惯上，把物体的质量与物体的速度的乘积，称为物体的动量。动量是表征物体运动状态的重要物理量。 动量是矢量。应由代谢守恒定律可知 : 如果系统所受各个 外力在某方向上的分量的代数和为零，那么系统的总动量 在该方向上的分量保持不变。即

上式中，右边是表示碰撞以前物体的动量之和，而左 边表示碰撞以后物体的动量之和。由此可见，碰撞前后的 物体的动量之和保持不变。

以上谈的是在完全弹性碰撞中的情形。

由此可见，对于完全弹性碰撞中，碰撞前后的物体的 动量之和就保持不变。这就是完全弹性碰撞中的动量守恒 定律。

对于非完全弹性碰撞中的情形就不完全是那回事了， 因为还有一部分电荷要克服其非完 全弹性形变而做功消耗 掉，这个时候就要考虑其恢复系数了。虽然这样，它们之 间还是遵循能量守恒定律的。不能按完全弹性碰撞的规律 研究之。必须考虑其消耗的能量。也可像这样 的考虑，将 其克服非完全弹性形变消耗掉的一部分动量考虑进去。则 碰撞前后的物体的动量之总和也保持不变。

代谢守恒的内容很多。除上述儿种外，还有质能守恒、 动量矩守恒定律、磁通量守恒、晶振矩守恒等等。