關(guān)于物理的問(wèn)題,/78

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不管在什么情況下能量都守恒

動(dòng)能守恒的情況：勢(shì)能，熱能沒(méi)有改變，或者題目中沒(méi)有涉及到熱能和勢(shì)能，如果有勢(shì)能（熱能很少考）改變的，請(qǐng)用機(jī)械能守恒來(lái)做。特點(diǎn)是摩擦力和重力都沒(méi)有做功

機(jī)械能守恒：熱能（內(nèi)能）沒(méi)有改變或者題目沒(méi)有涉及到，特點(diǎn)摩擦力沒(méi)有做功

動(dòng)量守恒：物體碰撞過(guò)程中沒(méi)有機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能（熱能）的情況，通常來(lái)說(shuō)題目會(huì)指明非彈性碰撞（即物體沒(méi)有變形）

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對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，如果沒(méi)有和外界進(jìn)行能量交換，能量一定是守恒的。

一個(gè)系統(tǒng)能量守恒的前提條件是他沒(méi)有和外界進(jìn)行能量交換和轉(zhuǎn)移。

比如一個(gè)物體沿斜面下滑，如果斜面是光滑的，沒(méi)有摩擦，那么這個(gè)物體在下滑過(guò)程中，只存在重力勢(shì)能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，機(jī)械能是守恒的。

但是，如果斜面不是光滑的，有摩擦，這時(shí)候斜面對(duì)物體的摩擦力就會(huì)做功，物體的能量不再守恒了。

熱心網(wǎng)友：

能量守恒是宏觀世界的基本定理，沒(méi)有說(shuō)在什么情況下是守恒的

熱心網(wǎng)友：　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?！　∧芰渴睾愕木唧w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?！　】偟牧鬟M(jìn)系統(tǒng)的能量必等于總的從系統(tǒng)中流出的能量加上系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化,能量能夠轉(zhuǎn)換，從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種形態(tài)。 　　系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加等于進(jìn)入系統(tǒng)的能量減去離開(kāi)系統(tǒng)的能量 [編輯本段]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 [編輯本段]——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?！　∵@個(gè)被稱為“瘋子”的醫(yī)生名叫邁爾（1814~1878），德國(guó)漢堡人，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。”更有一個(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)下有人大叫道：“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)?！　≡谄【茝S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。”焦耳看到論文，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?！薄　穼O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。”一切都變得光明了，兩人并肩而坐，開(kāi)始研究起實(shí)驗(yàn)來(lái)?！　?853年，兩人終于共同完成能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的精確表述。　　能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律有三種表述：永動(dòng)機(jī)不能造成，能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律及熱力學(xué)第一定律。這三種表述在文獻(xiàn)中是這樣敘述的：“熱力學(xué)第一定律就是能量守恒定律。”“根據(jù)能量守恒定律，……所謂永動(dòng)機(jī)是一定造不成的。反過(guò)來(lái)，由永動(dòng)機(jī)的造不成也可導(dǎo)出能量守恒定律?！边@里不難看出，三種表述是完全等價(jià)的。但筆者認(rèn)為，這種等價(jià)是現(xiàn)代人賦予它們的現(xiàn)代價(jià)值，若從歷史發(fā)展的角度來(lái)考查就會(huì)發(fā)現(xiàn)，三種表述另有它連續(xù)性的一面，但還有差異性的一面。這種差異反映了人類認(rèn)識(shí)定律的不同階段。 　　1定律的經(jīng)驗(yàn)性表述——永動(dòng)機(jī)是不可能造成的（1475～1824）　　很早以前，人類就開(kāi)始利用自然力為自己服務(wù)，大約到了十三世紀(jì)，開(kāi)始萌發(fā)了制造永動(dòng)機(jī)的愿望。到了十五世紀(jì)，偉大的藝術(shù)家、科學(xué)家和工程師達(dá)·芬奇（Leonard·do·Vinci 1452～1519），也投入了永動(dòng)機(jī)的研究工作。他曾設(shè)計(jì)過(guò)一臺(tái)非常巧妙的水動(dòng)機(jī)，但造出來(lái)后它并沒(méi)永動(dòng)下去。1475年，達(dá)·芬奇認(rèn)真總結(jié)了歷史上的和自己的失敗教訓(xùn)，得出了一個(gè)重要結(jié)論：“永動(dòng)機(jī)是不可能造成的?！痹诠ぷ髦兴€認(rèn)識(shí)到，機(jī)器之所以不能永動(dòng)下去，應(yīng)與摩擦有關(guān)。于是，他對(duì)摩擦進(jìn)行了深入而有成效的研究。但是，達(dá)·芬奇始終沒(méi)有，也不可能對(duì)摩擦為什么會(huì)阻礙機(jī)器運(yùn)動(dòng)作出科學(xué)解釋，即他不可能意識(shí)到摩擦（機(jī)械運(yùn)動(dòng)）與熱現(xiàn)象之間轉(zhuǎn)化的本質(zhì)聯(lián)系?！　〈撕?，雖然人們還是致力于永動(dòng)機(jī)的研制，但也有一部分科學(xué)工作者相繼得出了“永動(dòng)機(jī)是不可能造成的”結(jié)論，并把它作為一條重要原理用于科學(xué)研究之中。荷蘭的數(shù)學(xué)力學(xué)家斯臺(tái)文（SimonStevin 1548～1620），于1586年運(yùn)用這一原理通過(guò)對(duì)“斯臺(tái)文鏈”的分析，率先引出了力的平行四邊形定則。伽俐略在論證慣性定律時(shí)也應(yīng)用過(guò)這一原理。　　盡管原理的運(yùn)用已取得了如此顯著的成績(jī)，但人們研制永動(dòng)機(jī)的熱情不減。惠更斯（C·Huygens1629～1695）　　在他1673年出版的《擺式時(shí)鐘》一書(shū)中就反映了這種觀點(diǎn)。書(shū)中，他把伽俐略關(guān)于斜面運(yùn)動(dòng)的研究成果運(yùn)用于曲線運(yùn)動(dòng)，從而得出結(jié)論：在重力作用下，物體繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其質(zhì)心不會(huì)上升到它下落時(shí)的高度之上。因而，他得出用力學(xué)方法不可能制成永動(dòng)機(jī)的結(jié)論；但他卻認(rèn)為用磁石大概還是能造出永動(dòng)機(jī)來(lái)的。針對(duì)這種情況，1775年，巴黎科學(xué)院不得不宣布：不再受理關(guān)于永動(dòng)機(jī)的發(fā)明?！　v史上，運(yùn)用“永動(dòng)機(jī)是不可能制成”的這一原理在科研上取得最輝煌成就的是法國(guó)青年科學(xué)家卡諾（sadi Carnot 1796～1832）。1824年，他將該原理與熱質(zhì)說(shuō)結(jié)合推出了著名的“卡諾定理”。定理為提高熱機(jī)效率指明了方向，也為熱力學(xué)第二定律的提出奠定了基礎(chǔ)。但這里要特別強(qiáng)調(diào)的是，卡諾雖然將永動(dòng)機(jī)不能造成的原理運(yùn)用于熱機(jī)，但他的思想方法還是“機(jī)械的”。他在論證時(shí)將熱從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩吹牧鲃?dòng)同水從高處向低處流動(dòng)類比，認(rèn)為熱推動(dòng)熱機(jī)作功就像水推動(dòng)水輪機(jī)作功一樣，水和熱在流動(dòng)中并無(wú)任何損失?！　】梢?jiàn)，從1475年達(dá)·芬奇提出“永動(dòng)機(jī)是不可能造成的”起到1824年卡諾推出“卡諾定理”止，原理只能在機(jī)械運(yùn)動(dòng)和“熱質(zhì)”流動(dòng)中運(yùn)用，它遠(yuǎn)不是現(xiàn)代意義上的能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，它只能是機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的能量守恒的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是定律的原始形態(tài)?！　?891年，亥姆霍茲（H·Helmloltz1821～1894）400)　　在回顧他研究力的守恒律的起因時(shí)說(shuō)：“如果永動(dòng)機(jī)是不可能的話，那么在自然條件下的不同的力之間應(yīng)該存在什么樣的關(guān)系呢？而且，這些關(guān)系實(shí)際上是否真正存在呢？”可見(jiàn)，“永動(dòng)機(jī)是不能造成的”還很膚淺，要認(rèn)識(shí)它的深刻的內(nèi)涵，還須人們付出艱苦的勞動(dòng)。　　2定律的初期表述——力的守恒（1824～1850）　　“能量的轉(zhuǎn)比和守恒定律”的提出必須建立在134三個(gè)基礎(chǔ)之上：對(duì)熱的本質(zhì)的正確認(rèn)識(shí)；對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的各種形式之間的轉(zhuǎn)化的發(fā)現(xiàn)；相應(yīng)的科學(xué)思想。到十九世紀(jì)，這三個(gè)條件都具備了?！　?798年，倫福特（C· Rumford 1753～1814）向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提交了由炮筒實(shí)驗(yàn)得出的熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。1800年，戴維（D·H·Davy 1778～1829）　　用真空中摩擦冰塊使之溶化的實(shí)驗(yàn)支持了倫福特的報(bào)告。1801年，托馬斯·楊（ThomasYoung 1773～1829）在《論光和色的理論》中，稱光和熱有相同的性質(zhì)，強(qiáng)調(diào)了熱是一種運(yùn)動(dòng)。從此，熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)開(kāi)始逐步取代熱質(zhì)說(shuō)?！　∈耸兰o(jì)與十九世紀(jì)之交，各種自然現(xiàn)象之間的相互轉(zhuǎn)化又相繼發(fā)現(xiàn)：在熱向功的轉(zhuǎn)化和光的化學(xué)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后，1800年發(fā)現(xiàn)了紅外線的熱效應(yīng)。電池剛發(fā)明，就發(fā)現(xiàn)了電流的熱效應(yīng)和電解現(xiàn)象。1820年，發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1821年發(fā)現(xiàn)熱電現(xiàn)象，1834年發(fā)現(xiàn)其逆現(xiàn)象。等等?！　∈兰o(jì)之交，把自然看成是“活力”的思想在德國(guó)發(fā)展成為“自然哲學(xué)”。這種哲學(xué)把整個(gè)宇宙視為某種根源性的力的發(fā)現(xiàn)而引起的歷史發(fā)展的產(chǎn)物。由這種觀點(diǎn)看來(lái)，一切自然力都可以看作是一種東西。當(dāng)時(shí)，這種哲學(xué)思想在德國(guó)和西歐一些國(guó)家占有支配地位?！　∵@時(shí)，力的守恒原理的提出就勢(shì)在必行了?！　v史上，最早提出熱功轉(zhuǎn)換的是卡諾。他認(rèn)為：“熱無(wú)非是一種動(dòng)力，或者索性是轉(zhuǎn)換形式的運(yùn)動(dòng)。熱是一種運(yùn)動(dòng)。對(duì)物體的小部份來(lái)說(shuō)，假如發(fā)生了動(dòng)力的消滅，那么與此同時(shí)，必然產(chǎn)生與消滅的動(dòng)力量嚴(yán)格成正比的熱量。相反地，在熱消滅之處，就一定產(chǎn)生動(dòng)力。因此可以建立這樣的命題：動(dòng)力的量在自然界中是不變的，更確切地說(shuō)，動(dòng)力的量既不能產(chǎn)生，也不能消滅?！蓖瑫r(shí)他還給出了熱功當(dāng)量的粗略值。　　可惜，卡諾的這一思想是在他死了46年以后的1878年才被人們發(fā)現(xiàn)的。而這之前的1842年，德國(guó)的邁耳（J·R·Mayer 1814～1878）400)　　最先發(fā)表了比較全面的《力的守恒》的論文《論無(wú)機(jī)界的力》。文中他從“自然哲學(xué)”出發(fā)，以思辯的方式，由“原因等于結(jié)果”的因果鏈演釋出二十五種力的轉(zhuǎn)化形式。1845年，他還用定壓比熱容與定容比熱容之差：Cp-Cv=R，計(jì)算出熱功當(dāng)量值為1卡等于365g·m?！　?843年，英國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家焦耳（J·P·Joule 1818～1889）400)this.style.width=400;">　　在《哲學(xué)雜志》上發(fā)表了他測(cè)量熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。此后，他還進(jìn)行了更多更細(xì)的工作，測(cè)定了更精確的當(dāng)量值。1850年，他發(fā)表的結(jié)果是：“要產(chǎn)生一磅水（在真空中稱量，其溫度在55°和60°之間）增加華氏1°的熱量，需要消耗772英磅下落一英尺所表示的機(jī)械功?！苯苟墓ぷ鳎瑸椤傲Φ氖睾恪痹淼於藞?jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。　　德國(guó)科學(xué)家亥姆霍茲于1847年發(fā)表了他的著作《論力的守恒》。文中，他提出了一切自然現(xiàn)象都應(yīng)用中心力相互作用的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋　　由此證明了活力與張力之和對(duì)中心力守恒的結(jié)論。進(jìn)面，他還討論了熱現(xiàn)象、電現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象與機(jī)械力的關(guān)系，并指出了把“力的守恒”原理運(yùn)用到生命機(jī)體中去的可能性。由于亥姆霍茲的論述方式很有物理特色，故他的影響要比邁耳和焦耳大。　　雖然，到此為止，定律的發(fā)現(xiàn)者們還是把能量稱作“力”；而且定律的表述也不夠準(zhǔn)確，但實(shí)質(zhì)上他們已發(fā)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律了。將兩種表述比較，可以看出：“力的守恒”比“永動(dòng)機(jī)不能造成”要深刻得多?！傲Φ氖睾恪鄙婕暗氖钱?dāng)已認(rèn)識(shí)到的物質(zhì)的一切運(yùn)動(dòng)形式；同時(shí)，它是在一定的哲學(xué)思想指導(dǎo)下（邁耳），在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上（焦耳），用公理化結(jié)構(gòu)（亥姆霍茲）建立起的理論。如果現(xiàn)在仍用“永動(dòng)機(jī)不能造成”來(lái)表述定律的話，那已賦予它新的內(nèi)涵了，即現(xiàn)在的機(jī)器可以是機(jī)械的，也可以是熱的，電磁的、化學(xué)的，甚至可以是生物的了；同時(shí)，永動(dòng)機(jī)不能永動(dòng)的原因也得到揭示?！　×硗?，也要看到，“力的守恒”原理雖然有焦耳的熱功當(dāng)量和電熱當(dāng)量的關(guān)系式，還有亥姆霍茲推出的各種關(guān)系式，但它們都是各自獨(dú)立的，還沒(méi)能用一個(gè)統(tǒng)一的解析式來(lái)表述。因此“力的守恒”還是不夠成熟的?！　?定律的解析表述——熱力學(xué)第一定律（1850～1875）　　要對(duì)定律進(jìn)行解析表述，只有對(duì)“熱量”、“功”、“能量”和“內(nèi)能”這些概念的準(zhǔn)確定義才行。　　“熱量”的慨念早在十八世紀(jì)就給出了，就是熱質(zhì)的量。1829年，蓬斯萊（J·V· Poncelet 1788～1867）在研究蒸汽機(jī)的過(guò)程中，明確定義了功為力和距離之積。而“能量”的概念則是1717年，J·伯努力（J·Bernoulli 1667～1748）在論述虛位移時(shí)就采用過(guò)了的。托馬斯·揚(yáng)于1805年就把力稱為能量，用過(guò)了的。托馬斯·揚(yáng)于1805年就把力稱為能量，由此定義了揚(yáng)氏模量。但他們的定義一直未被人們接受，難怪邁耳、焦耳和亥姆霍茲還用“力”來(lái)稱為能量。這對(duì)定律的表述極不利，再加上熱質(zhì)說(shuō)的影響還遠(yuǎn)未肅清，因此“力的守恒”原理一直不為大多數(shù)人所接受。當(dāng)然，也有一批有識(shí)之士認(rèn)識(shí)到定律的重大意義并為它的完善進(jìn)行了卓有成效的工作。其中最著名的是英國(guó)的W·湯姆孫（W·Thomson1824～1907）和德國(guó)的克勞修斯（R·Clausius 1822～1888）正是他們?cè)谇叭说幕A(chǔ)上提出了熱力學(xué)第一和第二定律，由此建立了熱力學(xué)理論體系的大廈。　　1850年，克勞修斯在德文版《物理學(xué)和化學(xué)年報(bào)》第79卷上，發(fā)表了《論熱的動(dòng)力和能由此推出的關(guān)于熱學(xué)本身的定律》的論文。文中指出：卡諾定理是正確的，但要用熱運(yùn)動(dòng)說(shuō)并加上另外的方法證明才行。他認(rèn)為，單一的原理即“在一切由熱產(chǎn)生功的情況，有一個(gè)和產(chǎn)生功成正比的熱量被消耗掉，反之，通過(guò)消耗同樣數(shù)量的功也能產(chǎn)生這樣數(shù)量的熱?！笔遣粔虻模贿€得加上一個(gè)原理即“沒(méi)有任何力的消耗或其它變化的情況下，就把任意多的熱量從一個(gè)冷體移到熱體，這與熱素來(lái)的行為相矛盾?！眮?lái)論證。他說(shuō)，只有這佯，才能把熱看成一種狀態(tài)量。接下來(lái)他作了以下的十分重要的工作：　　對(duì)于永久氣體，下式成立：　　pV=R（273+t） （1）　　P是壓力，V是單位質(zhì)量的體積，t是攝氏溫度。再考慮微小的卡諾循環(huán)，可由（1）式得出這一過(guò)程中所做的功為：　　同時(shí)也可計(jì)算這一過(guò)程消耗的熱量：　　設(shè)熱功當(dāng)量的系數(shù)為A，應(yīng)用焦耳原理，由（2）和（3）得：　　這時(shí)克勞修斯引進(jìn)了一個(gè)新的態(tài)函數(shù)U，（4）式變?yōu)椋骸　?duì)于這個(gè)新的態(tài)函數(shù)，他指出“其性質(zhì)有如人們通常所說(shuō)的那樣，假定它為總熱量，是一個(gè)V和t的函數(shù)，由變化的過(guò)程的初態(tài)和終態(tài)完全確定?！薄　=U（V，t） （6）　　就這樣，他得出了熱力學(xué)第一定律的解析式：　　dQ=dU=dW （7）　　我們知道，一個(gè)知識(shí)領(lǐng)域只有發(fā)展到了揭示和把握對(duì)象的規(guī)定和量的聯(lián)系時(shí)，也就是當(dāng)用上了數(shù)學(xué)工具時(shí)，它才真正成為了一門科學(xué)。因此，只有到了這個(gè)時(shí)候，能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律才同熱力學(xué)第二定律的熵的表述一起構(gòu)成了熱力學(xué)的理論體系的基礎(chǔ)?！　?853年，W·湯姆孫重新提出了能量的定義。他是這樣說(shuō)的：“我們把給定狀態(tài)中的物質(zhì)系統(tǒng)的能量表示為：當(dāng)它從這個(gè)給定狀態(tài)無(wú)論以什么方式過(guò)渡到任意一個(gè)固定的零態(tài)時(shí)，在系統(tǒng)外所產(chǎn)生的用機(jī)械功單位來(lái)量度的各種作用之和?！彼€把態(tài)函數(shù)U稱為內(nèi)能。直到這時(shí)，人們才開(kāi)始把牛頓的“力”和表征物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的“能量”區(qū)別開(kāi)來(lái)，并廣泛使用。在此基礎(chǔ)上，蘇格蘭的物理學(xué)家蘭金*（W·J·M·Rankine 1820～1872）才把“力的守恒”原理改稱為“能量守恒”原理?！　崃W(xué)理論建立之后，很多人還是覺(jué)得不好理解，尤其是第二定律。為此，從1854年起，克勞修斯作了大量的工作，努力尋找一種為人們?nèi)菀捉邮艿淖C明方法來(lái)解釋這兩條原理（當(dāng)時(shí)還是叫原理），并多次用通俗的語(yǔ)言進(jìn)行宣講。這樣，直到1860年左右，能量原理才被人們普遍承認(rèn)?！　?定律的準(zhǔn)確表述——能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律（1875～1909）　　1860年后，能量定律“很快成為全部自然科學(xué)的基石。特別是在物理學(xué)中，每一種新的理論首先要檢驗(yàn)它是否跟能量守恒原理相符合?！钡牵瑫r(shí)至那時(shí)，原理的發(fā)現(xiàn)者們還只是著重從量的守恒上去概括定律的名稱，而沒(méi)強(qiáng)調(diào)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)比。那到底是什么時(shí)候原理才被概括成“能量的轉(zhuǎn)比和守恒定律”的呢？從恩格斯在《反杜林論》的一段論述中，可以得到問(wèn)題的答案。　　恩格斯說(shuō)：“如果說(shuō)，新發(fā)現(xiàn)的、偉大的運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律，十年前還僅僅慨括為能量守恒定律，僅僅概括為運(yùn)動(dòng)不生不滅這種表述，就是說(shuō)，僅僅從量方面概括它，那么這種狹隘的、消極的表述日益被那種關(guān)于能量的轉(zhuǎn)化的積極表述所代替，在這里過(guò)程的質(zhì)的內(nèi)容第一次獲得了自己的權(quán)利，……”恩格斯這段話發(fā)表于1885年，他說(shuō)十年前消極表述日益被積極表述所代替，由此判斷，“能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律”這一準(zhǔn)確而完善的表述應(yīng)形成于1875年或稍后一點(diǎn)。　　到此為止，似乎有關(guān)定律的一切問(wèn)題都解決了。其實(shí)不然。　　我們知道，直到二十世紀(jì)初，熱力學(xué)中的一個(gè)重要基本概念——熱量還是沿用的十八世紀(jì)的定義，而這個(gè)定義是以熱質(zhì)說(shuō)為基礎(chǔ)的。也就是說(shuō)，在熱力學(xué)大廈的基石中還有一塊是不牢固的。因此，1909年，喀喇氏（C·Caratheeodory）對(duì)內(nèi)能進(jìn)行了重新定義：“任何一個(gè)物體或物體系在平衡態(tài)有一個(gè)態(tài)函數(shù)U，叫做它的內(nèi)能，當(dāng)這個(gè)物體從第一態(tài)經(jīng)過(guò)一個(gè)絕熱過(guò)程到第二態(tài)后，它的內(nèi)能的增加等于在過(guò)程中外界對(duì)它所做的功W?！薄　2-U1=W （8）　　這樣定義的內(nèi)能就與熱量毫不相關(guān)了，它只與機(jī)械能和電磁能有關(guān)。在這一基礎(chǔ)上可以反過(guò)來(lái)定義熱量：　　Q=U2-U1-W （9）　　直到這個(gè)時(shí)候，熱力學(xué)第一定律（能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律）、第二定律及整個(gè)熱力學(xué)理論才同熱質(zhì)說(shuō)實(shí)行了最徹底的決裂。　　綜觀全文，可知“能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律”的三種表述反映了人類認(rèn)識(shí)這一自然規(guī)律的歷程。這三種表述一種比一種更深刻，一種比一種更接近客觀真理。人類正是這樣一步一步地認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的?！　∞D(zhuǎn)載自作者：王驍勇 [編輯本段]能量守恒定律的檢驗(yàn)　　任何物理學(xué)定律都需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的，反復(fù)的檢驗(yàn)，特別是在把特點(diǎn)領(lǐng)域里發(fā)現(xiàn)的定律移植到其他相關(guān)領(lǐng)域的時(shí)候，往往會(huì)發(fā)生定律被破壞的情況，比如宇稱守恒定律在弱相互作用和電磁相互作用中先后被實(shí)驗(yàn)打破。這是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的，即使是被人類社會(huì)廣泛認(rèn)同的定律，在沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)的領(lǐng)域內(nèi)，仍然不能一廂情愿地認(rèn)為它是正確的?！　〗苟谘芯繖C(jī)械能和熱能的基礎(chǔ)上提出能量守恒定律，當(dāng)時(shí)科學(xué)界還不了解電磁相互作用，所以能量守恒定律沒(méi)有經(jīng)過(guò)在電磁相互作用下的檢驗(yàn)。我們知道，在一般情況下電磁能是符合能量守恒定律的，但是不能排除特殊情況下的例外，比如宇稱守恒定律也曾經(jīng)被證明在一般電磁相互作用中是正確的，但是后來(lái)被發(fā)現(xiàn)在Anapole的特殊結(jié)構(gòu)中就不正確。由于電磁結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，給物理學(xué)定律的檢驗(yàn)帶來(lái)很大的困難，導(dǎo)致這樣的檢驗(yàn)是漫長(zhǎng)的，沒(méi)有止境的。　　我們可以說(shuō)能量守恒定律在現(xiàn)有的知識(shí)領(lǐng)域內(nèi)是正確的，但是如果說(shuō)它在任何領(lǐng)域，任何情況下永遠(yuǎn)正確就不是科學(xué)研究者應(yīng)有的態(tài)度。

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