試問能量守恒嗎

戚云忠

摘 要：能量守恒和轉(zhuǎn)換定律是物理學(xué)中的重要定律，對于不同形式的能量之間相互轉(zhuǎn)化學(xué)生能夠理解，但通過認(rèn)識狀態(tài)方程，他們對能量轉(zhuǎn)化過程中全部守恒仍然有困惑。

關(guān)鍵詞：能量守恒；轉(zhuǎn)化定律；等壓系統(tǒng)

設(shè)一等壓系統(tǒng)，系統(tǒng)的外壁與活塞都是用良好的隔熱材料制成，高處有高溫?zé)嵩矗到y(tǒng)通過開關(guān)和高溫?zé)嵩催B接，開關(guān)是關(guān)閉的，系統(tǒng)內(nèi)裝滿干空氣。以下把這樣的空氣系統(tǒng)簡稱總系統(tǒng)，總系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，總系統(tǒng)的溫度為T1、體積為V1、壓強為P、內(nèi)能為O，稱初狀態(tài)。把總系統(tǒng)用若干條隔板隔成上、下兩部分，并使上、下兩部分空氣保持原來的熱平衡狀態(tài)，隔板之上的空氣稱分系統(tǒng)A，隔板之下的空氣稱分系統(tǒng)B。分系統(tǒng)A的溫度為T1，內(nèi)能為O；分系統(tǒng)B的溫度亦為T1、內(nèi)能亦為O，見圖1。隔板是用良好的隔熱材料制成，必要時可以打開隔板，使總系統(tǒng)上、下兩部分空氣重新連通。

打開開關(guān)，分系統(tǒng)A從高溫?zé)嵩次諢崃縌，關(guān)閉開關(guān)，分系統(tǒng)A從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌，一部分用于分系統(tǒng)A的內(nèi)能增量△UA；一部分用于因為分系統(tǒng)A內(nèi)有空氣物質(zhì)克服地球引力向上膨脹、分系統(tǒng)A自身增加的位能△P；一部分用于分系統(tǒng)A體積膨脹對外作的功W，則是：

Q=△UA+△P+W（分系統(tǒng)A）

經(jīng)過一定的時間，分系統(tǒng)A到達(dá)熱平衡狀態(tài)，分系統(tǒng)A的溫度升到T2，見圖2。

打開隔板，使總系統(tǒng)上、下兩部分空氣連通，總系統(tǒng)的內(nèi)能形式是△UA，總系統(tǒng)上部分空氣溫度高，下部分空氣溫度低，見圖3。經(jīng)過一定的時間，總系統(tǒng)到達(dá)新的熱平衡狀態(tài)，總系統(tǒng)也到達(dá)終狀態(tài)。總系統(tǒng)到達(dá)新的熱平衡狀態(tài)的過程是總系統(tǒng)內(nèi)部有空氣物質(zhì)克服地球引力向上擴展、位能增加的過程，把位能的增量用△P1表示，根據(jù)動能+內(nèi)能+位能=常數(shù)，總系統(tǒng)位能的增加則是總系統(tǒng)內(nèi)能的減少，把內(nèi)能的減量用△U1表示，特別強調(diào)：總系統(tǒng)減少的內(nèi)能△U1僅是因為總系統(tǒng)內(nèi)部密度的調(diào)整增加位能△P1所減少的那部分內(nèi)能（其他略），總系統(tǒng)的內(nèi)能形式成了△UA—△U1，見圖4。

前面寫的熱力過程，如果總系統(tǒng)到達(dá)終狀態(tài)，內(nèi)能△UA保持不變，式Q=△UA+△P+W（總系統(tǒng)）等式成立，則證明能量守恒，總系統(tǒng)到達(dá)終狀態(tài)，內(nèi)能變成△UA—△U1，就證明能量不守恒了。

位能△P1不是狀態(tài)參數(shù)，考查的不是位能△P1，不是過程，考查的是狀態(tài)、是總系統(tǒng)的終狀態(tài)。

總系統(tǒng)在低處向外界輸出熱量，總系統(tǒng)輸出熱量之后到達(dá)終狀態(tài)也減少內(nèi)能。

參考文獻(xiàn)：

[1]能吟濤.熱力學(xué).高等教育出版社，1986.

[2]賀海晏.動力氣象學(xué).氣象出版社，2010.

（作者單位 北京焦化廠教育中心）