能量守恒定律

【專家解說(shuō)】：能量守恒定律
世界是由運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)組成的，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式多種多樣，并在不斷相互轉(zhuǎn)化正是在研究運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，人們逐漸建立起了功和能的概念能是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的普遍量度，而功是能量變化的量度。
這種說(shuō)法概括了功和能的本質(zhì)，但哲學(xué)味道濃了一些在物理學(xué)中，從19世紀(jì)中葉產(chǎn)生的能量定義：“能量是物體做功的本領(lǐng)”，一直延用至今但近年來(lái)不論在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，物理教育界卻對(duì)這個(gè)定義是否妥當(dāng)展開(kāi)過(guò)爭(zhēng)論于是許多物理教材，例如現(xiàn)行的中學(xué)教材，都不給出能量的一般定義，而是根據(jù)上述定義的思想，即物體在某一狀態(tài)下的能量，是物體由這個(gè)狀態(tài)出發(fā)，盡其所能做出的功來(lái)給出各種具體的能量形式的操作定義（用量度方法代替定義）。
能量概念的形成和早期發(fā)展，始終是和能量守恒定律的建立過(guò)程緊密相關(guān)的由于對(duì)機(jī)械能、內(nèi)能、電能、化學(xué)能、生物能等具體能量形式認(rèn)識(shí)的發(fā)展，以及它們之間都能以一定的數(shù)量關(guān)系相互轉(zhuǎn)化的逐漸被發(fā)現(xiàn)，才使能量守恒定律得以建立這是一段以百年計(jì)的漫長(zhǎng)歷史過(guò)程隨著科學(xué)的發(fā)展，許多重大的新物理現(xiàn)象，如物質(zhì)的放射性、核結(jié)構(gòu)與核能、各種基本粒子等被發(fā)現(xiàn)，都只是給證明這一偉大定律的正確性提供了更豐富的事實(shí)盡管有些現(xiàn)象在發(fā)現(xiàn)的當(dāng)時(shí)似乎形成了對(duì)這一定律的沖擊，但最后仍以這一定律的完全勝利而告終。
能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)告訴我們，盡管物質(zhì)世界千變?nèi)f化，但這種變化決不是沒(méi)有約束的，最基本的約束就是守恒律也就是說(shuō)，一切運(yùn)動(dòng)變化無(wú)論屬于什么樣的物質(zhì)形式，反映什么樣的物質(zhì)特性，服從什么樣的特定規(guī)律，都要滿足一定的守恒律物理學(xué)中的能量、動(dòng)量和角動(dòng)量守恒，就是物理運(yùn)動(dòng)所必須服從的最基本的規(guī)律與之相較，牛頓運(yùn)動(dòng)定律、麥克斯韋方程組等都低了一個(gè)層次。

定律內(nèi)容
能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其總量不變。能量守恒定律如今被人們普遍認(rèn)同，但是并沒(méi)有嚴(yán)格證明。

1)自然界中不同的能量形式與不同的運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)：物體運(yùn)動(dòng)具有機(jī)械能、分子運(yùn)動(dòng)具有內(nèi)能、電荷的運(yùn)動(dòng)具有電能、原子核內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)具有原子能等等。

(2)不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化：“摩擦生熱是通過(guò)克服摩擦做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；水壺中的水沸騰時(shí)水蒸氣對(duì)壺蓋做功將壺蓋頂起，表明內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；電流通過(guò)電熱絲做功可將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等等”。這些實(shí)例說(shuō)明了不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，且是通過(guò)做功來(lái)完成的這一轉(zhuǎn)化過(guò)程。

(3)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等．某個(gè)物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。

能量守恒的具體表達(dá)形式
保守力學(xué)系統(tǒng)：在只有保守力做功的情況下，系統(tǒng)能量表現(xiàn)為機(jī)械能（動(dòng)能和位能），能量守恒具體表達(dá)為機(jī)械能守恒定律。
熱力學(xué)系統(tǒng)：能量表達(dá)為內(nèi)能，熱量和功，能量守恒的表達(dá)形式是熱力學(xué)第一定律。
相對(duì)論性力學(xué)：在相對(duì)論里，質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)變。計(jì)及質(zhì)量改變帶來(lái)能量變化，能量守恒定律依然成立。歷史上也稱這種情況下的能量守恒定律為質(zhì)能守恒定律。

能量守恒定律的重要意義

能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。從物理、化學(xué)到地質(zhì)、生物，大到宇宙天體。小到原子核內(nèi)部，只要有能量轉(zhuǎn)化，就一定服從能量守恒的規(guī)律。從日常生活到科學(xué)研究、工程技術(shù)，這一規(guī)律都發(fā)揮著重要的作用。人類對(duì)各種能量，如煤、石油等燃料以及水能、風(fēng)能、核能等的利用，都是通過(guò)能量轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。能量守恒定律是人們認(rèn)識(shí)自然和利用自然的有力武器。

小醫(yī)生與啤酒匠發(fā)現(xiàn)科學(xué)新理

——能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)

能量守恒和能量轉(zhuǎn)化定律與細(xì)胞學(xué)說(shuō)，進(jìn)化論合稱19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)。而其中能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)，卻是和一個(gè)“瘋子”醫(yī)生聯(lián)系起來(lái)的。
這個(gè)被稱為“瘋子”的醫(yī)生名叫邁爾（1814~1878），德國(guó)人，1840年開(kāi)始在漢堡獨(dú)立行醫(yī)。他對(duì)萬(wàn)事總要問(wèn)個(gè)為什么，而且必親自觀察，研究，實(shí)驗(yàn)。1840年2月22日，他作為一名隨船醫(yī)生跟著一支船隊(duì)來(lái)到印度尼西亞。一日，船隊(duì)在加爾各達(dá)登陸，船員因水土不服都生起病來(lái)，于是邁爾依老辦法給船員們放血治療。在德國(guó)，醫(yī)治這種病時(shí)只需在病人靜脈血管上扎一針，就會(huì)放出一股黑紅的血來(lái)，可是在這里，從靜脈里流出的仍然是鮮紅的血。于是，邁爾開(kāi)始思考：人的血液所以是紅的是因?yàn)槔锩婧醒?，氧在人體內(nèi)燃燒產(chǎn)生熱量，維持人的體溫。這里天氣炎熱，人要維持體溫不需要燃燒那么多氧了，所以靜脈里的血仍然是鮮紅的。那么，人身上的熱量到底是從哪來(lái)的？頂多500克的心臟，它的運(yùn)動(dòng)根本無(wú)法產(chǎn)生如此多的熱，無(wú)法光靠它維持人的體溫。那體溫是靠全身血肉維持的了，而這又靠人吃的食物而來(lái)，不論吃肉吃菜，都一定是由植物而來(lái)，植物是靠太陽(yáng)的光熱而生長(zhǎng)的。太陽(yáng)的光熱呢？太陽(yáng)如果是一塊煤，那么它能燒4600年，這當(dāng)然不可能，那一定是別的原因了，是我們未知的能量了。他大膽地推出，太陽(yáng)中心約2750萬(wàn)度（現(xiàn)在我們知道是1500萬(wàn)度）。邁爾越想越多，最后歸結(jié)到一點(diǎn)：能量如何轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)移）？
他一回到漢堡就寫(xiě)了一篇《論無(wú)機(jī)界的力》，并用自己的方法測(cè)得熱功當(dāng)量為365千克米/千卡。他將論文投到《物理年鑒》，卻得不到發(fā)表，只好發(fā)表在一本名不見(jiàn)經(jīng)傳的醫(yī)學(xué)雜志上。他到處演說(shuō)：“你們看，太陽(yáng)揮灑著光與熱，地球上的植物吸收了它們，并生出化學(xué)物質(zhì)……”可是即使物理學(xué)家們也無(wú)法相信他的話，很不尊敬地稱他為“瘋子”，而邁爾的家人也懷疑他瘋了，竟要請(qǐng)醫(yī)生來(lái)醫(yī)治他。他因不被人理解，終于跳樓自殺了。
和邁爾同時(shí)期研究能量守恒的還有一個(gè)英國(guó)人——焦耳（1818~1889），他自幼在道爾頓門(mén)下學(xué)習(xí)化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理，他一邊經(jīng)營(yíng)父親留下的啤酒廠，一邊搞科學(xué)研究。1840年，他發(fā)現(xiàn)將通電的金屬絲放入水中，水會(huì)發(fā)熱，通過(guò)精密的測(cè)試，他發(fā)現(xiàn)：通電導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量與電流強(qiáng)度的平方，導(dǎo)體的電阻和通電時(shí)間成正比。這就是焦耳定律。1841年10月，他的論文在《哲學(xué)雜志》上刊出。隨后，他又發(fā)現(xiàn)無(wú)論化學(xué)能，電能所產(chǎn)生的熱都相當(dāng)于一定功，即460千克米/千卡。1845年，他帶上自己的實(shí)驗(yàn)儀器及報(bào)告，參加在劍橋舉行的學(xué)術(shù)會(huì)議。他當(dāng)場(chǎng)做完實(shí)驗(yàn)，并宣布：自然界的力（能）是不能毀滅的，哪里消耗了機(jī)械力（能），總得到相當(dāng)?shù)臒??？膳_(tái)下那些赫赫有名的大科學(xué)家對(duì)這種新理論都搖頭，連法拉第也說(shuō)：“這不太可能吧?！备幸粋€(gè)叫威廉·湯姆孫（1824~1907）的數(shù)學(xué)教授，他8歲隨父親去大學(xué)聽(tīng)課，10歲正式考入該大學(xué)，乃是一位奇才，而今天聽(tīng)到一個(gè)啤酒匠在這里亂嚷一些奇怪的理論，就非常不禮貌地當(dāng)場(chǎng)退出會(huì)場(chǎng)。
焦耳不把人們的不理解放在心上，他回家繼續(xù)做著實(shí)驗(yàn)，這樣一直做了40年，他把熱功當(dāng)量精確到了423.9千克米/千卡。1847年，他帶著自己新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)又來(lái)到英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)的會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)。在他極力懇求下，會(huì)議主席才給他很少的時(shí)間讓他只做實(shí)驗(yàn)，不做報(bào)告。焦耳一邊當(dāng)眾演示他的新實(shí)驗(yàn)，一邊解釋：“你們看，機(jī)械能是可以定量地轉(zhuǎn)化為熱的，反之一千卡的熱也可以轉(zhuǎn)化為423.9千克米的功……”突然，臺(tái)下有人大叫到：“胡說(shuō)，熱是一種物質(zhì)，是熱素，他與功毫無(wú)關(guān)系”這人正是湯姆孫。焦耳冷靜地回答到：“熱不能做功，那蒸汽機(jī)的活塞為什么會(huì)動(dòng)？能量要是不守恒，永動(dòng)機(jī)為什么總也造不成？”焦耳平淡的幾句話頓時(shí)使全場(chǎng)鴉雀無(wú)聲。臺(tái)下的教授們不由得認(rèn)真思考起來(lái)，有的對(duì)焦耳的儀器左看右看，有的就開(kāi)始爭(zhēng)論起來(lái)。
湯姆孫碰了釘子后，也開(kāi)始思考，他自己開(kāi)始做試驗(yàn)，找資料，沒(méi)想到竟發(fā)現(xiàn)了邁爾幾年前發(fā)表的那篇文章，其思想與焦耳的完全一致！他帶上自己的試驗(yàn)成果和邁爾的論文去找焦耳，他抱定負(fù)荊請(qǐng)罪的決心，要請(qǐng)焦耳共同探討這個(gè)發(fā)現(xiàn)。
在啤酒廠里湯姆孫見(jiàn)到了焦耳，看著焦耳的試驗(yàn)室里各種自制的儀器，他深深為焦耳的堅(jiān)韌不拔而感動(dòng)。湯姆孫拿出邁爾的論文，說(shuō)道：“焦耳先生，看來(lái)您是對(duì)的，我今天是專程來(lái)認(rèn)錯(cuò)的。您看，我是看了這篇論文后，才感到您是對(duì)的?！苯苟吹秸撐?，臉上頓時(shí)喜色全失：“湯姆孫教授，可惜您再也不能和他討論問(wèn)題了。這樣一個(gè)天才因?yàn)椴槐蝗死斫?，已?jīng)跳樓自殺了，雖然沒(méi)摔死，但已經(jīng)神經(jīng)錯(cuò)亂了?！?br> 湯姆孫低下頭，半天無(wú)語(yǔ)。一會(huì)兒，他抬起頭，說(shuō)道：“真的對(duì)不起，我這才知道我的罪過(guò)。過(guò)去，我們這些人給了您多大的壓力呀。請(qǐng)您原諒，一個(gè)科學(xué)家在新觀點(diǎn)面前有時(shí)也會(huì)表現(xiàn)得很無(wú)知的?！币磺卸甲兊霉饷髁?，兩人并肩而坐，開(kāi)始研究起實(shí)驗(yàn)來(lái)。
1853年，兩人終于共同完成能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的精確表述。