淺談對能量轉化與守恒定律的理解

摘要：能量轉化與守恒定律是自然科學內在統一性的第一個偉大證據，它為各種能源動力機械的技術進步提供了理論基礎，并徹底打破了當時流行的“永動機”幻想，促進了工業革命的發展。本文就能量轉化與守恒定律談談了自己的理解。

關鍵詞：能量轉化與守恒定律；能量轉化；能量守恒

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1006-026X（2013）04-0000-01

我們生活在一個復雜而多變的世界中，物質、能量、信息是構成世界的基本要素。能量無處不在，能量轉化無時不有。

一、能量轉化與守恒定律內容

能量轉換與守恒定律又稱熱力學第一定律、能量不滅定律，它是指能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能由一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉化或轉移的過程中其總量保持不變。

二、能量轉化與守恒定律初步形成

19世紀初，由于蒸汽機的進一步發展，迫切需要研究熱和功的關系，對蒸汽機“出力”作出理論上的分析。所以熱與機械功的相互轉化得到了廣泛的研究。埃瓦特（PeterEwart，1767-1842）對煤的燃燒所產生的熱量和由此提供的“機械動力”之間的關系作了研究，建立了定量聯系。丹麥工程師和物理學家柯爾丁（L.Colding，1815-1888）從事了摩擦生熱的實驗。俄國的赫斯（G.H.Hess，1802-1850）在更早就從化學的研究得到了能量轉化與守恒的思想。1836年赫斯向彼得堡科學院報告：“經過連續的研究，我確信，不管用什么方式完成化合，由此發出的熱總是恒定的，這個原理是如此之明顯，以至于如果我不認為已經被證明，也可以不加思索就認為它是一條公理。”至此，能量轉化與守恒定律已初步形成。其實法國工程師薩迪·卡（SadiCarnot，1796-1832）早在1830年就已確立了功熱相當的思想，他在筆記中寫道：“熱不是別的什么東西，而是動力，或者可以說，它是改變了形式的運動，它是（物體中粒子的）一種運動（的形式）。當物體的粒子的動力消失時，必定同時有熱產生，其量與粒子消失的動力精確地成正比。相反地，如果熱損失了，必定有動力產生。”“因此人們可以得出一個普遍命題：在自然界中存在的動力，在量上是不變的。準確地說，它既不會創生也不會消滅；實際上，它只改變了它的形式。”

三、能量轉化與守恒定律的確立

1807年，英國的托·楊首次把活力叫做能量。對能量轉化與守恒定律作出明確敘述有重大貢獻的，首先要提到三位科學家。他們是德國的邁爾（RobeaMayer，1814-1878）、赫姆霍茲（HermannvonHelmhohz，1821-1894）和英國的焦耳。能量轉化與守恒定律是自然界基本規律之一。恩格斯對這一規律的發現給予崇高的評價，把它和達爾文進化論及細胞學說并列為三大自然發現。能量轉化與守恒定律這個全面的名稱就是恩格斯首先提出來的。完整的數學形式則是德國的克勞修斯（Rud-oflJuliusEmanuelClausius，1822—1888）在1850年首先提出的。w.湯姆生（WilliamThomson，即開爾文，LordKelvin，1824-1907）在1851年更明確地把函數u稱為物體所需要的機械能（mechanicalenergy），他把上式看成熱功相當性的表示式，這樣就全面闡明了能、功和熱量之間的關系。1852年，w.湯姆生進一步用動態能和靜態能來表示運動的能量和潛在的能量。1853年蘭金（w.J.M.Rankine，1820-1872）將其改為實際能和勢能，他這樣表述能量轉化與守恒定律：“宇宙中所有能量，實際能和勢能，它們的總和恒定不變。”1867年在w.湯姆生和泰特（Tait）的《自然哲學論文》中將上述實際能改為動能，一直沿用至今。能量轉化與守恒定律不是一個科學家的成果，而是幾個世紀中幾乎所有科學家共同努力的結果，它指導和激勵著人們不斷地進行各項新的研究，推動社會的不斷發展。

四、能量轉化的方式

某種能的轉化是通過相應的力做功實現的，具體的能量轉化方式為：重力勢能的變化通過重力做功實現；動能的變化是通過合外力做功實現的；機械能的變化是通過除重力（彈簧彈力）以外的其他力做功實現的；電勢能的變化是通過電場力做功實現的；相互摩擦的物體間內能的轉化是通過摩擦力做功實現的；電磁感應中通過感應電流受安培力做負功，把機械能轉化為電能再在純電阻電路中轉化為內能。

五、能量在轉化過程中總量是守恒的

有兩種思路：一是弄清楚系統中哪些形式的能發生了變化，增加的能量和減少的能量一定相等；另一個是弄清系統有哪些物體能量發生了變化，一些物體能量增加了，其他物體能量就一定減少了。

六、能量轉化與守恒定律的重要性及其發展

能量守恒定律至今仍然是力學乃至整個自然科學的重要定律。不過它仍然會發展。1905年愛因斯坦發表了闡述狹義相對論的著名論文《關于光的產生和轉化的一個啟發性的觀點》中揭示了質能守恒定律，即在一個孤立系統內所有粒子的相對論動能與靜能之和在相互作用過程中保持不變，稱為質能守恒定律。愛因斯坦著名的質能方程反映了質量與能量之間的聯系#指導人們認識核反應的規律，并為人類獲得核能提供了理論基礎。