能量守恒定律的表述本質(zhì)

熱心網(wǎng)友：常見表述：能量既不會憑空產(chǎn)生也不會憑空消失，它只會從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量總量保持不變。 熱力學(xué)第一定律：普遍的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律在一切涉及宏觀熱現(xiàn)象過程中的具體表現(xiàn)。熱力學(xué)第一定律確認(rèn)，任意過程中系統(tǒng)從周圍介質(zhì)吸收的熱量、對介質(zhì)所做的功和系統(tǒng)內(nèi)能增量之間在數(shù)量上守恒。熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律，它是人類經(jīng)驗的總結(jié)，不能用任何別的原理來證明。熱力學(xué)系統(tǒng)能量表達(dá)為內(nèi)能、熱量和功，熱力學(xué)第一定律是能量守恒的一種表達(dá)形式。從它導(dǎo)出的結(jié)論，還沒有發(fā)現(xiàn)與事實(shí)有矛盾。根據(jù)熱力學(xué)第一定律可以設(shè)想，要制造一種機(jī)器，它既不靠外界供給能量，本身也不減少能量，卻不斷地對外做功而不消耗能量。人們把這種假想的機(jī)器稱為第一類永動機(jī)。因為對外界做功就必須消耗能量，不消耗能量就無法對外界做功，因此第一定律也可以表達(dá)為“第一類永動機(jī)是不可能造成的”。反過來，第一類永動機(jī)永遠(yuǎn)不能造成，也就證明了第一定律是正確的。熱力學(xué)系統(tǒng)由狀態(tài)1經(jīng)過一個過程到達(dá)狀態(tài)2后，系統(tǒng)的內(nèi)能一般會發(fā)生改變。根據(jù)能量守恒定律可得：ΔU=Q－W （1）式中ΔU=U2－U1為系統(tǒng)的內(nèi)能增量；Q為在此過程中系統(tǒng)從環(huán)境所吸收的熱量；W為在此過程中系統(tǒng)對環(huán)境所做的功。式（1）是熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。式（1）中U是狀態(tài)函數(shù)，即ΔU 的數(shù)值只取決于系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)，而與系統(tǒng)由始態(tài)變到終態(tài)所經(jīng)過的具體過程無關(guān)，而其中Q和W 則與過程有關(guān)。應(yīng)用式（1）時須注意Q和W 的正負(fù)號為：系統(tǒng)吸熱Q>0，系統(tǒng)放熱Q<0；系統(tǒng)對環(huán)境做功W >0，環(huán)境對系統(tǒng)做功W <0。若系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生一個微小變化，則熱力學(xué)第一定律就寫成：dU=δQ－δW　 （2）式中δQ和δW 分別為過程的微小的熱量和微小的功，它們不是全微分，所以用“δ”而不用“d”來表示，以與全微分表示區(qū)別 。熱力學(xué)第一定律還可表述為第一類永動機(jī)（一種能不斷自動做功而無須消耗任何燃料和能源的機(jī)器）是做不成的?！　‘?dāng)系統(tǒng)是開放的，它和介質(zhì)之間不僅有熱的和機(jī)械的相互作用，還有物質(zhì)交換，則熱力學(xué)第一定律的表述中還應(yīng)增加一項因物質(zhì)交換引起的能量的增量或減量。機(jī)械能是物體在力學(xué)現(xiàn)象中所具有的能量形式，包含動能和勢能（位能），即機(jī)械能=動能+勢能。在一個封閉的力學(xué)系統(tǒng)（保守力學(xué)系統(tǒng)）中，只有保守力做功，沒有機(jī)械能與其他形式能量之間相互轉(zhuǎn)換時，則機(jī)械能守恒，系統(tǒng)能量表現(xiàn)為機(jī)械能。能量守恒具體表現(xiàn)為機(jī)械能守恒定律。機(jī)械能守恒定律是能量守恒定律的一個特例。能量守恒定律表明，能量只能從一種形式變?yōu)榱硪环N形式而無法憑空產(chǎn)生或者是消滅。能量守恒是時間的平移對稱性（平移不變性）得出的數(shù)學(xué)結(jié)論（見諾特定理）。根據(jù)能量守恒定律，流入的能量等于流出的能量加上內(nèi)能變化。此定律是物理學(xué)中相當(dāng)基本的判據(jù)。依照時間的平移對稱性（平移不變性），物理定律（定理）在任何時間都成立。在狹義相對論中能量守恒定律表現(xiàn)為質(zhì)能守恒定律。質(zhì)能守恒定律是能量守恒定律的特殊形式。質(zhì)能公式E=mc2描述了質(zhì)量與能量對應(yīng)關(guān)系。在經(jīng)典力學(xué)中，質(zhì)量和能量之間是相互獨(dú)立的，但在相對論力學(xué)中，能量和質(zhì)量是物體力學(xué)性質(zhì)的兩個方面的同一表征。在相對論中質(zhì)量被擴(kuò)展為質(zhì)量-能量。原來在經(jīng)典力學(xué)中獨(dú)立的質(zhì)量守恒和能量守恒結(jié)合成為統(tǒng)一的質(zhì)能守恒定律，充分反映了物質(zhì)和運(yùn)動的統(tǒng)一性。單一質(zhì)量粒子的相對論能量包括其靜止質(zhì)量及其動能。若一質(zhì)量粒子動能為零（或在相對靜止參考系中），或是一個有動能的系統(tǒng)在動量中心系中，其總能量（包括系統(tǒng)內(nèi)部的動能）和其靜止質(zhì)量或不變質(zhì)量有關(guān)，其關(guān)系式即為著名的E=mc2。因此只要觀測者的參考系沒有改變，狹義相對論中能量對時間的守恒性仍然成立，整個系統(tǒng)的能量仍然不變，位在不同參考系下的觀測者會量測的能量大小不同，但各觀測者量到的能量數(shù)值都不會隨時間改變。不變質(zhì)量由能量-動量關(guān)系式所定義，是所有觀測者可以觀測到的系統(tǒng)質(zhì)量和能量的最小值，不變質(zhì)量也會守恒，而且各觀測者量測到的數(shù)值均相同。人們根據(jù)大量實(shí)驗確認(rèn)了能量守恒定律，即不同形式能量之間相互轉(zhuǎn)換時，其量值守恒。焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗是早期確認(rèn)能量守恒定律的有名實(shí)驗，而后在宏觀領(lǐng)域內(nèi)建立了能量轉(zhuǎn)換與守恒的熱力學(xué)第一定律?？灯疹D效應(yīng)確認(rèn)能量守恒定律在微觀世界仍然正確，后又逐步認(rèn)識到能量守恒定律是由時間平移不變性決定的，從而使它成為物理學(xué)中的普遍定律（見對稱性和守恒律）。應(yīng)當(dāng)注意，能量這一概念有其應(yīng)用范圍，根據(jù)廣義相對論，在一定條件下就不再能使用能量這種量度。

熱心網(wǎng)友：能量守恒定律世界是由運(yùn)動的物質(zhì)組成的，物質(zhì)的運(yùn)動形式多種多樣，并在不斷相互轉(zhuǎn)化正是在研究運(yùn)動形式轉(zhuǎn)化的過程中，人們逐漸建立起了功和能的概念能是物質(zhì)運(yùn)動的普遍量度，而功是能量變化的量度。這種說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不論在國外還是國內(nèi)，物理教育界卻對這個定義是否妥當(dāng)展開過爭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，是物體由這個狀態(tài)出發(fā)，盡其所能做出的功來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程緊密相關(guān)的由于對機(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的漫長歷史過程隨著科學(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)時似乎形成了對這一定律的沖擊，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有約束的，最基本的約束就是守恒律也就是說，一切運(yùn)動變化無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、動量和角動量守恒，就是物理運(yùn)動所必須服從的最基本的規(guī)律與之相較，牛頓運(yùn)動定律、麥克斯韋方程組等都低了一個層次。定律內(nèi)容能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變。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)動形式相對應(yīng)：物體運(yùn)動具有機(jī)械能、分子運(yùn)動具有內(nèi)能、電荷的運(yùn)動具有電能、原子核內(nèi)部的運(yùn)動具有原子能等等。(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；水壺中的水沸騰時水蒸氣對壺蓋做功將壺蓋頂起，表明內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；電流通過電熱絲做功可將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等等”。這些實(shí)例說明了不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，且是通過做功來完成的這一轉(zhuǎn)化過程。(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。相對論性力學(xué)：在相對論里，質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)變。計及質(zhì)量改變帶來能量變化，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，都是通過能量轉(zhuǎn)化來實(shí)現(xiàn)的。能量守恒定律是人們認(rèn)識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，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“瘋子”醫(yī)生聯(lián)系起來的。這個被稱為“瘋子”的醫(yī)生名叫邁爾（1814~1878），德國人，1840年開始在漢堡獨(dú)立行醫(yī)。他對萬事總要問個為什么，而且必親自觀察，研究，實(shí)驗。1840年2月22日，他作為一名隨船醫(yī)生跟著一支船隊來到印度尼西亞。一日，船隊在加爾各達(dá)登陸，船員因水土不服都生起病來，于是邁爾依老辦法給船員們放血治療。在德國，醫(yī)治這種病時只需在病人靜脈血管上扎一針，就會放出一股黑紅的血來，可是在這里，從靜脈里流出的仍然是鮮紅的血。于是，邁爾開始思考：人的血液所以是紅的是因為里面含有氧，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的？頂多500克的心臟，它的運(yùn)動根本無法產(chǎn)生如此多的熱，無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，不論吃肉吃菜，都一定是由植物而來，植物是靠太陽的光熱而生長的。太陽的光熱呢？太陽如果是一塊煤，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，太陽中心約2750萬度（現(xiàn)在我們知道是1500萬度）。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）？他一回到漢堡就寫了一篇《論無機(jī)界的力》，并用自己的方法測得熱功當(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)表在一本名不見經(jīng)傳的醫(yī)學(xué)雜志上。他到處演說：“你們看，太陽揮灑著光與熱，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，竟要請醫(yī)生來醫(yī)治他。他因不被人理解，終于跳樓自殺了。和邁爾同時期研究能量守恒的還有一個英國人——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，水會發(fā)熱，通過精密的測試，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)驗儀器及報告，參加在劍橋舉行的學(xué)術(shù)會議。他當(dāng)場做完實(shí)驗，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_下那些赫赫有名的大科學(xué)家對這種新理論都搖頭，連法拉第也說：“這不太可能吧?！备幸粋€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)聽課，10歲正式考入該大學(xué)，乃是一位奇才，而今天聽到一個啤酒匠在這里亂嚷一些奇怪的理論，就非常不禮貌地當(dāng)場退出會場。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，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)計的實(shí)驗又來到英國科學(xué)協(xié)會的會議現(xiàn)場。在他極力懇求下，會議主席才給他很少的時間讓他只做實(shí)驗，不做報告。焦耳一邊當(dāng)眾演示他的新實(shí)驗，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，臺下有人大叫到：“胡說，熱是一種物質(zhì)，是熱素，他與功毫無關(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)的活塞為什么會動？能量要是不守恒，永動機(jī)為什么總也造不成？”焦耳平淡的幾句話頓時使全場鴉雀無聲。臺下的教授們不由得認(rèn)真思考起來，有的對焦耳的儀器左看右看，有的就開始爭論起來。湯姆孫碰了釘子后，也開始思考，他自己開始做試驗，找資料，沒想到竟發(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！他帶上自己的試驗成果和邁爾的論文去找焦耳，他抱定負(fù)荊請罪的決心，要請焦耳共同探討這個發(fā)現(xiàn)。在啤酒廠里湯姆孫見到了焦耳，看著焦耳的試驗室里各種自制的儀器，他深深為焦耳的堅韌不拔而感動。湯姆孫拿出邁爾的論文，說道：“焦耳先生，看來您是對的，我今天是專程來認(rèn)錯的。您看，我是看了這篇論文后，才感到您是對的?！苯苟吹秸撐模樕项D時喜色全失：“湯姆孫教授，可惜您再也不能和他討論問題了。這樣一個天才因為不被人理解，已經(jīng)跳樓自殺了，雖然沒摔死，但已經(jīng)神經(jīng)錯亂了。”湯姆孫低下頭，半天無語。一會兒，他抬起頭，說道：“真的對不起，我這才知道我的罪過。過去，我們這些人給了您多大的壓力呀。請您原諒，一個科學(xué)家在新觀點(diǎn)面前有時也會表現(xiàn)得很無知的?！币磺卸甲兊霉饷髁?，兩人并肩而坐，開始研究起實(shí)驗來。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。