能量轉化和守恒定律的發現和應用

王梅華

【摘 要】本文主要闡述了能量轉化和守恒定律的發現及簡單的應用。

【關鍵詞】能量轉化 守恒定律

能量是物質運動的一個最基本的量度，是人們研究客觀世界的主要對象之一。研究物質運動就是要研究各種形式的能量及轉化規律。19世紀中期發現的能量轉化和守恒定律，深刻地揭示了自然界物質運動變化發展的規律，被恩格斯稱為偉大的運動基本定律，19世紀自然科學三大發現之一。

一、能量轉化和守恒定律是怎樣發現的？

任何科學理論的建立都要經過實驗結果的不斷積累階段和認識上提高或飛躍兩個階段。能量守恒定律的發現過程也是如此。第一階段，從古代發現摩擦生熱、摩擦取火到18世紀蒸汽機的發明以及其他運動形式及其相互轉化的發現。在這一階段，人們已經在長期的生產實踐和技術改革中解決了機械運動和熱之間相互轉化的問題，也發現了光、電、磁、熱等運動形式的互相轉化現象。尤其到18世紀末19世紀初，運動形式的互相轉化的事實越來越多。1780年意大利的伽伐尼發現，火花放電或雷雨能使蛙腿筋肉收縮，這是電的生物學效應。1800年意大利的伏打把兩種不同的金屬片疊起來，產生了電；還把銅片和鋅片浸入硫酸溶液中，把這兩片金屬與導線連成回路也能產生電流。這是化學運動轉化為電流運動。

第二階段是認識的提高和飛躍。對能量守恒定律的發現來說，它包含了對陳舊觀念的廢除和新的認識的建立兩個方面。這一階段出現在19世紀中期。在此以前形成上學的“熱素說”觀點支配著人們的認識，各種運動形式被隔裂開來，割斷了它們之間的本來聯系。因而阻礙人們深入認識事物的本質。所以，當時盡管已經產生了運動不滅的思想，如法國哲學家笛卡爾在1644年“哲學原理”中總結出“運動量恒”的觀點，1746年俄國科學家羅蒙諾索夫從熱現象的研究中也曾發現過物質守恒，運動不滅的思想，但都未能最終發現這個定律。這主要由于科學家實驗尚未積累起足夠的實踐認識，也由于傳統觀念束縛住人們的頭腦。到19世紀中葉，情況起了很大的變化。一方面積累了大量能量轉化的實驗事實，其中有些還直接反駁“熱素說”，如18世紀末英國的倫福德在金屬鉆孔的多次實驗中，發現熱素不可信，卡諾在提高蒸汽機效率時也感到有一部分熱轉化為功；另一方面由于當時工業革命日益發展，涌現出一批有遠見富于創新精神的科學家，德國的邁爾就是其中一員。邁爾沒有盲目地跟從熱素說，而是批判地吸收了前人的工作成果，把各種能量（當時叫“自然力”）列成一個表，分析 了它們之間相互轉化的25種情況，在認真整理前人實驗結果的基礎上，拋棄了陳舊的熱素說。1840年邁爾作為一個隨船醫生到爪哇去旅行，在抽病人的血液時，發現從血管中取的血都有一種異常鮮明的紅色。這種紅色素是血液中進行氧化作用的產物，這就使他考慮到正是由于食物在體內氧化放出大量的熱，一方面使人維持正常體溫，一方面又給人進行各種活動提供了能源。

二、能量轉化和守恒定律的應用

能量轉化和守恒定律是人類科學技術的理論支柱之一，它既是人們認識客觀過程的有效工具，又是我們開發新能源的可靠依據，它還是指導我們為特殊的目的實現多種形式的轉化。

這一偉大的定律是人們深刻認識客觀過程的準繩之一。在千變萬化的物質運動中，總要尋求一些不變量以聯系事物的始末態，能量就是這樣的不變量之一，能量形式可變，但量上守恒。這使我們可以解決許多實際問題，無論是動動與勢能的轉化，還是機械能、熱能、電能、光能之間的相互轉化，對一個系統來說，經過一個過程，初始能量加上外界能量總等于系統末了的能量加上耗散的能量，在物理教學中所用的一些能量守恒的具體表達式，都表示這個意思。從這類表達式可以解出不同的未知量，解決科學技術工程上各種問題。這一定律使我們能在人類已認識的范疇內分析和解決問題，同時它還幫助我們在尚未認識的范疇內發現新的物質過程。

除了為獲取能量的目的而提高效率開發新能源之外，人們還廣泛應用能量轉化和守恒定律，創造一定的條件，實現能量的轉化，以達到某些特殊的應用目的。如為信息探測和傳遞的目的，人們研制了紅外探測器，探測目標物的微弱的紅外輻射，把滿載信息的紅外輻射轉化為電訊號，從而顯示出來，人們還研究光通訊技術，把信息轉換為光能，借助于光來傳播信息。隨著激光技術的發展，光熱轉化又獲得某些特殊的應用，如激光打孔、焊接、切割、激光手術、激光退火、激光武器等等。

三、對能量轉化和守恒定律的認識

能量守恒和轉化定律是一條自然界遵循的基本規律，一個多世紀以來已在各方面獲得廣泛的應用，但關于這條定律的哲學認識則是不斷深化的。首先，能量守恒，不僅是量上守恒，在轉化過程中能量不會創生不會消滅。不承認這一點就會導致荒謬的結論。19世紀克勞修斯從熱力學第二定律所得到的“宇宙熱寂說”就是一個典型的例證。他認為一切現存的運動都將變為熱，但這種熱卻不會再轉化為別種形式的能量。它不但不能集中起來，相反這些熱會不斷地散發到宇宙空間中去，使宇宙達到統一溫度而處于死寂狀態，用克勞修斯的話說就是：“這時宇宙就會進入一個死寂的永恒狀態。”可見，運動的轉化能量一旦喪失，運動也就消滅了。實際上，能量轉化的完整意義是指任何運動形式都具有轉化為它種運動形式的能力，宇宙其他運動形式轉化為熱，熱也就一定會自己轉化為別種形式的運動，發散的熱會以某種形式在有限空間范圍內集中起來，即所謂“反熵”過程在宇宙中時必定存在的。關于宇宙間“黑洞”的研究，正時研究這種能量集中狀態。所以，能量轉化和守恒定律不僅表示運動的量在轉化過程中不滅，而且表示各種運動形式轉化能力永遠不會消滅。