能量守恒定律是自然科學(xué)領(lǐng)域的重要基本原理之一，它揭示了能量在自然界中的轉(zhuǎn)化和守恒規(guī)律。根據(jù)能量守恒定律，能量既不能從虛空中創(chuàng)造出來，也不能消失無蹤，而是可以在不同形式之間轉(zhuǎn)換。

能量守恒定律在熱力學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。熱力學(xué)研究的是能量的轉(zhuǎn)化和熱量的傳遞，而能量守恒定律正是熱力學(xué)理論的基石。在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，能量的總量始終保持不變。無論是機(jī)械能、化學(xué)能、電能還是熱能，它們都可以相互轉(zhuǎn)換，但總量不會(huì)發(fā)生改變。

能量守恒定律

能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的量度“能”世界上的一切都在不斷運(yùn)動(dòng)在物質(zhì)的所有屬性中，運(yùn)動(dòng)是最基本的屬性，其他屬性都是運(yùn)動(dòng)的具體表現(xiàn)。能量是物理系統(tǒng)做功能力的量度。

能量（energy）它是物質(zhì)的基本物理性質(zhì)之一，是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一度量。

能量的單位和功的單位是一樣的，在國際單位制中是焦耳（J）在原子物理學(xué)、原子核物理學(xué)、電子伏特通常用于粒子物理和其他領(lǐng)域（eV）作為一個(gè)單位，1電子伏=1.60218×10焦耳。在物理學(xué)領(lǐng)域，erg也被使用（erg）作為能量單位，1爾格=10焦耳。

能量以許多不同的形式存在；根據(jù)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式的不同，能量可以分為機(jī)械能、化學(xué)能、熱能、電能、輻射能、核能。這些不同形式的能量可以通過物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)相互轉(zhuǎn)化

各種領(lǐng)域也有能量。

能量的英文“energy”一字源于希臘語：νρ γ ε ι α，這個(gè)詞最早出現(xiàn)在亞里士多德 s作品于公元前4世紀(jì)。伽利略時(shí)代已經(jīng)出現(xiàn)“能量”想過，但還沒有“能”這一術(shù)語。能量的概念來自17世紀(jì)的萊布尼茨“活力”一個(gè)想法，定義為物體質(zhì)量和速度平方的乘積，相當(dāng)于今天動(dòng)能的兩倍。為了解釋因摩擦而減慢速度的現(xiàn)象，萊布尼茨 的理論認(rèn)為熱能是由物體中組成物質(zhì)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的，這一觀點(diǎn)與牛頓 盡管這個(gè)想法花了一個(gè)世紀(jì)才被普遍接受。

能量（Energy）這個(gè)詞是T.楊在國王與王后講自然哲學(xué)時(shí)引入了這一概念在1807年的倫敦大學(xué)“活力”或“上升力”的觀點(diǎn)，提出用“能量”這個(gè)詞是表示和物體所做的功有關(guān)的，但沒有引起注意人們?nèi)匀徽J(rèn)為不同的運(yùn)動(dòng)包含不同的力。1831年，法國學(xué)者科里奧利引入了力做功的概念，并在“活力”前加了1/2系數(shù)，稱為動(dòng)能，通過積分給出功和動(dòng)能的關(guān)系。出現(xiàn)在1853年“勢(shì)能”出現(xiàn)在1856年“動(dòng)能”這些術(shù)語。直到能量守恒定律被證實(shí)，人們才意識(shí)到能量概念的意義和實(shí)用價(jià)值。

空間屬性是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的廣泛體現(xiàn)；時(shí)間屬性是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的持久體現(xiàn)；引力性質(zhì)是運(yùn)動(dòng)過程中質(zhì)量分布不均勻引起的相互作用的體現(xiàn)；電磁性質(zhì)是帶電粒子在運(yùn)動(dòng)變化過程中的外在表現(xiàn)，等等。物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式多種多樣，每一種具體的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式都有相應(yīng)的能量形式。

與宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的能量形式是動(dòng)能；與分子運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的能量形式是熱能；與原子運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的能量形式是化學(xué)能；帶電粒子定向運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是電能；光子運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是光能，等等。除了這些，還有風(fēng)能、潮汐能等。當(dāng)運(yùn)動(dòng)形式相同時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)特性可以用一些物理量或化學(xué)量來描述。物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)可以用速度來衡量、加速度、動(dòng)量和其他物理量；電流可以用電流強(qiáng)度來衡量、電壓、功率和其他物理量。但如果運(yùn)動(dòng)形式不同，唯一能描述和比較物質(zhì)運(yùn)動(dòng)特征的物理量就是能量，這是所有運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的共同特征。

不同形式的能量可以通過物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)相互轉(zhuǎn)化。

與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的各種形式相對(duì)應(yīng)，能量也有各種形式。機(jī)械能，如動(dòng)能，表現(xiàn)為機(jī)械運(yùn)動(dòng)中物體或系統(tǒng)的整體、勢(shì)能、聲能等。在熱現(xiàn)象中，是系統(tǒng)的內(nèi)能，是系統(tǒng)中每個(gè)分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能、分子間相互作用的勢(shì)能、原子和原子核的能量總和，但不包括整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械能。對(duì)于熱運(yùn)動(dòng)能（舊稱熱能）人們是通過它和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化而認(rèn)識(shí)的（參見熱力學(xué)第一定律）各種領(lǐng)域也有能量

機(jī)械能、化學(xué)能、熱能、電（磁）能、輻射能、有許多方法可以轉(zhuǎn)換不同類型的能源，例如核能。比如最常見的電能（交流電和電池）它可以由許多其他形式的能量轉(zhuǎn)化而來，如機(jī)械能–電能的轉(zhuǎn)變（水力發(fā)電）核能–熱能–機(jī)械能–電能的轉(zhuǎn)變（核能發(fā)電）化學(xué)能–電能的轉(zhuǎn)變（電池）等。

常見表述：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只會(huì)從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或者從一種形式轉(zhuǎn)移到另一種形式，能量的總量在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過程中保持不變。

熱力學(xué)第一定律：在所有涉及宏觀熱現(xiàn)象的過程中能量守恒和轉(zhuǎn)化普遍規(guī)律的具體表達(dá)。熱力學(xué)第一定律證實(shí)，在任何過程中，系統(tǒng)從周圍介質(zhì)中吸收的熱量、在對(duì)介質(zhì)所做的功和系統(tǒng)內(nèi)能的增量之間有一個(gè)數(shù)量守恒。

熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律，是人類經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，其他任何原理都無法證明。熱力學(xué)系

統(tǒng)一能量表示為內(nèi)能、熱和功，熱力學(xué)第一定律是能量守恒的一種表述。從中得出的結(jié)論并沒有發(fā)現(xiàn)與事實(shí)相矛盾。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可以想象應(yīng)該制造一種機(jī)器，不依賴外界能量供應(yīng)，本身不減少能量，而是不斷對(duì)外做功，不消耗能量。人們稱這種假想的機(jī)器為第一種永動(dòng)機(jī)。因?yàn)槟惚仨毾哪芰繉?duì)外界做功，你可以 不消耗能量就不能對(duì)外做功，所以第一定律也可以表述為“第一種永動(dòng)機(jī)是不可能造成的”反之，第一類永動(dòng)機(jī)永遠(yuǎn)造不出來，證明第一定律是正確的。

熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能通常會(huì)在從狀態(tài)1到狀態(tài)2的過程后發(fā)生變化。根據(jù)能量守恒定律：

ΔU=Q－W （1）

式中ΔU=U－u是系統(tǒng)的內(nèi)能增量；q是系統(tǒng)在此過程中從環(huán)境中吸收的熱量；w是這個(gè)過程中系統(tǒng)對(duì)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)。

式（1）其中u是狀態(tài)函數(shù)，即δ的值只取決于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，與系統(tǒng)從初態(tài)變化到終態(tài)的具體過程無關(guān)，而Q和W 與該過程有關(guān)。應(yīng)用式（1）注意，Q和Q的符號(hào)是：系統(tǒng)吸收熱量Q0并釋放熱量Q0；系統(tǒng)在環(huán)境0下工作，環(huán)境在系統(tǒng)W 0下工作。

如果系統(tǒng)的狀態(tài)稍有變化，熱力學(xué)第一定律就寫成如下：

dU=δQ－δW （2）

其中δQ和δW  分別是微熱和微功的過程，它們不是完全差分的，所以使用它們“δ”而不用“d”來表達(dá)，用全微分來表達(dá)差。

熱力學(xué)第一定律也可以表述為第一類永動(dòng)機(jī)（不消耗任何燃料和能量就能自動(dòng)做功的機(jī)器）是做不成的。

當(dāng)系統(tǒng)開放時(shí)，它與介質(zhì)之間不僅存在熱力和機(jī)械相互作用，還存在物質(zhì)交換，所以熱力學(xué)第一定律的表述還應(yīng)加上一個(gè)由物質(zhì)交換引起的能量的增量或減量。

機(jī)械能是機(jī)械現(xiàn)象中物體的能量形式，包括動(dòng)能和勢(shì)能（位能）即機(jī)械能=動(dòng)能勢(shì)能。

在封閉的機(jī)械系統(tǒng)中（保守力學(xué)系統(tǒng)）只有保守力做功，當(dāng)機(jī)械能和其他形式的能量沒有相互轉(zhuǎn)換時(shí)，機(jī)械能守恒，系統(tǒng)能量表示為機(jī)械能。能量守恒體現(xiàn)在機(jī)械能守恒定律中。機(jī)械能守恒定律是能量守恒定律的特例。

能量守恒定律表明，能量只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，而不能憑空產(chǎn)生或消滅。能量守恒是時(shí)間的平移對(duì)稱（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，流入能量等于流出能量加上內(nèi)部能量變化。

這個(gè)定律是物理學(xué)中一個(gè)相當(dāng)基本的準(zhǔn)則。根據(jù)時(shí)間的平移對(duì)稱性（平移不變性），物理定律（定理）隨時(shí)成立。

在狹義相對(duì)論中，能量守恒定律就是質(zhì)量和能量守恒定律。質(zhì)量和能量守恒定律是能量守恒定律的特殊形式。質(zhì)能公式E=mc描述了質(zhì)量和能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在經(jīng)典力學(xué)中，質(zhì)量和能量是相互獨(dú)立的，但在相對(duì)論力學(xué)中，能量和質(zhì)量是物體力學(xué)性質(zhì)兩個(gè)方面的同一表示。在相對(duì)論中，質(zhì)量被推廣到質(zhì)量-能量。在經(jīng)典力學(xué)中，獨(dú)立的質(zhì)量守恒和能量守恒合并成統(tǒng)一的質(zhì)量守恒和能量守恒定律，充分體現(xiàn)了物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性。

單質(zhì)量粒子的相對(duì)論能量包括其靜止質(zhì)量和動(dòng)能。如果質(zhì)量粒子的動(dòng)能為零（或者在相對(duì)靜止的參照系中）或者在動(dòng)量中心系統(tǒng)中有動(dòng)能的系統(tǒng)的總能量（包括系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)能）與其靜態(tài)質(zhì)量或恒定質(zhì)量有關(guān)，其關(guān)系就是著名的E=mc。

因此，只要觀察者 s參考系沒有變，狹義相對(duì)論中能量對(duì)時(shí)間的守恒仍然成立，整個(gè)系統(tǒng)的能量不變，不同參考系中觀察者測(cè)得的能量不同，但每個(gè)觀察者測(cè)得的能量不會(huì)隨時(shí)間變化。不變質(zhì)量由能量-動(dòng)量關(guān)系定義為所有觀測(cè)者能觀測(cè)到的系統(tǒng)質(zhì)量和能量的最小值，質(zhì)量不變就會(huì)守恒，所有觀測(cè)者測(cè)得的值都一樣。

人們根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了能量守恒定律，即不同形式的能量相互轉(zhuǎn)化時(shí)，其大小是守恒的。焦耳力學(xué)等效熱實(shí)驗(yàn)是早期確認(rèn)能量守恒定律，進(jìn)而在宏觀領(lǐng)域建立能量轉(zhuǎn)換與守恒熱力學(xué)第一定律的著名實(shí)驗(yàn)。康普頓效應(yīng)證實(shí)了能量守恒定律在微觀世界仍然是正確的，進(jìn)而逐漸認(rèn)識(shí)到能量守恒定律是由時(shí)間平移的不變性決定的，從而使其成為物理學(xué)中的普遍定律（參見對(duì)稱和守恒定律）

應(yīng)該指出，能量的概念有其適用范圍根據(jù)廣義相對(duì)論，能量在一定條件下不能再作為度量。

熱力學(xué)第一定律的想法最初是由德國物理學(xué)家j.邁耶在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于1842年提出了它

的。之后，英國物理學(xué)家j.焦耳做了大量實(shí)驗(yàn)，用各種方法尋找熱的力學(xué)等效，結(jié)果是一致的。換句話說，熱和功之間存在一定的換算關(guān)系。經(jīng)過精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，得知1卡=4.184焦。1847年，德國科學(xué)家h.亥姆霍茲對(duì)熱力學(xué)第一定律進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述，并明確指出：能量守恒定律是普遍適用于所有自然現(xiàn)象的基本定律之一。到1850年，科學(xué)界已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)。

證實(shí)能量作為守恒量的存在始于17世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)g.萊布尼茨觀察到地球上的粒子能量的重力場(chǎng)（mv/2+mgh）守恒。焦耳從19世紀(jì)40年代就證實(shí)了熱只是能量的一種形式，這為熱力學(xué)第一定律奠定了基礎(chǔ)。1905年，愛因斯坦將能量與物質(zhì)的靜態(tài)質(zhì)量聯(lián)系起來，給出了著名的質(zhì)能關(guān)系。為了解釋?duì)滤プ冞^程“消失掉”那部分能量，w.泡利提出，一定還有另一種未知粒子。后來E.費(fèi)米把這種粒子命名為中微子，而那部分“消失掉”能量回來了。

熱力學(xué)第一定律證實(shí)了這一點(diǎn)：任何系統(tǒng)的態(tài)函數(shù)——都存在單值內(nèi)能，孤立系統(tǒng)的內(nèi)能是常數(shù)。物體的內(nèi)能是微觀粒子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和物體靜止時(shí)它們之間相互作用的勢(shì)能之和。內(nèi)能的宏觀定義的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是在相同的初末態(tài)之間，系統(tǒng)的絕熱功值都相等，與路徑無關(guān)。可以看出，外界在絕熱過程中對(duì)系統(tǒng)所做的功，只與系統(tǒng)在初態(tài)和終態(tài)之間的一個(gè)函數(shù)的變化有關(guān)，與路徑無關(guān)。這個(gè)態(tài)函數(shù)就是內(nèi)能。它可以定義為外界通過系統(tǒng)所做的絕熱功：U－U=－因?yàn)椋街械呢?fù)號(hào)意味著外功是正功。功的單位是焦耳。在一個(gè)純傳熱過程中，可以用系統(tǒng)內(nèi)能的變化來定義熱量及其值，即q=u－u，其中系統(tǒng)吸熱定義為正（Q大于0）熱量的單位也是焦耳。

熱和功都是過程量，只有在系統(tǒng)狀態(tài)變化時(shí)才會(huì)出現(xiàn)它們的值不僅與流程的初始和最終狀態(tài)有關(guān)，還與流程所經(jīng)過的路徑有關(guān)。功和熱都是內(nèi)能變化的量度，表明它們之間應(yīng)該有某種等價(jià)關(guān)系歷史上，這種當(dāng)量的數(shù)值表示被稱為熱的機(jī)械當(dāng)量。

熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律對(duì)非孤立系統(tǒng)的延伸。這時(shí)，能量可以以功W或熱q的形式傳入或傳出系統(tǒng)。

闡述方式：

1.物體內(nèi)能的增加等于物體吸收的熱量和對(duì)物體所做的功之和。

2. 系統(tǒng)處于絕熱態(tài)時(shí)，功只取決于系統(tǒng)初態(tài)和末態(tài)的能量，與過程無關(guān)。

3. 孤立系統(tǒng)永遠(yuǎn)節(jié)能。

4. 系統(tǒng)絕熱循環(huán)后做的功為零，所以第一種永動(dòng)機(jī)是不可能的（也就是不消耗能量做功的機(jī)械）

5.當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)相互作用時(shí)，工作具有獨(dú)特的價(jià)值，這種價(jià)值可以是積極的、負(fù)或零。

在愛因斯坦 根據(jù)狹義相對(duì)論，能量是四維動(dòng)量的一個(gè)組成部分。這個(gè)矢量的每一個(gè)分量，在任何封閉系統(tǒng)和任何慣性系中都可以觀察到（其中一個(gè)是能量，另外三個(gè)是動(dòng)量）會(huì)守恒，如果不隨時(shí)間變化，這個(gè)向量的長(zhǎng)度也會(huì)守恒（閔可夫斯基模長(zhǎng)）矢量長(zhǎng)度是單個(gè)粒子的靜態(tài)質(zhì)量，是多質(zhì)量粒子組成的系統(tǒng)的不變質(zhì)量（即不變能量）

在量子力學(xué)中，量子系統(tǒng)的能量是用一個(gè)叫做哈密頓量的自伴算符來描述的，它作用于系統(tǒng)的希爾伯特空間（或是波函數(shù)空間）中。如果哈密頓量是一個(gè)時(shí)不變的算符，那么它的發(fā)生概率的度量不會(huì)隨著系統(tǒng)的變化而隨時(shí)間變化，所以能量的期望值不會(huì)隨時(shí)間變化。量子場(chǎng)論下的定域性能量守恒可以利用能量-結(jié)合諾特定理的動(dòng)量張量算符。由于量子理論中沒有全局時(shí)間算符，時(shí)間和能量的不確定關(guān)系只能在某些特定條件下成立，這與作為量子力學(xué)基礎(chǔ)的位置和動(dòng)量的不確定關(guān)系的本質(zhì)不同（見不確定性原理）每個(gè)固定時(shí)間的能量都是可以精確測(cè)量的，不會(huì)受到時(shí)間和能量不確定關(guān)系的影響，所以即使在量子力學(xué)中，能量守恒也是一個(gè)明確定義的概念。

能量守恒定律是許多物理定律的特征。從數(shù)學(xué)的角度來看，能量守恒是諾特 s定理。如果物理系統(tǒng)在時(shí)間平移中滿足連續(xù)對(duì)稱性，它的能量（時(shí)間的共軛物理量）守恒。相反，如果一個(gè)物理系統(tǒng)在時(shí)移上是非對(duì)稱的，它的能量就不守恒，但如果這個(gè)系統(tǒng)與另一個(gè)系統(tǒng)交換能量，合成的更大系統(tǒng)不隨時(shí)間變化，這個(gè)更大系統(tǒng)的能量就會(huì)守恒。因?yàn)槿魏螘r(shí)變系統(tǒng)都可以放在一個(gè)更大的時(shí)不變系統(tǒng)中，通過適當(dāng)?shù)刂匦露x能量就可以實(shí)現(xiàn)能量守恒。對(duì)于平直時(shí)空中的物理理論，量子力學(xué)允許短時(shí)間內(nèi)不守恒（例如正-反粒子對(duì)）所以量子力學(xué)中不遵守能量守恒。

根據(jù)諾特 s定理，能量守恒定律表達(dá)了連續(xù)對(duì)稱性與守恒定律的對(duì)應(yīng)關(guān)系。守恒定律是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中必須遵守的最基本的定律，也成為物理學(xué)中最普遍最深刻的概念。比如物理定律不隨時(shí)間變化，也就是說它們關(guān)于時(shí)間有某種對(duì)稱性。諾特 s定理與量子力學(xué)有很深的關(guān)系，因?yàn)樗梢詤^(qū)分與海森堡 s測(cè)不準(zhǔn)原理只有通過運(yùn)用經(jīng)典力學(xué)的原理（譬如時(shí)間和能量）對(duì)于時(shí)間平移的不變性給出了著名的能量守恒定律。

時(shí)空是齊次各向同性的，坐標(biāo)系原點(diǎn)的平移和坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)是對(duì)稱變換，構(gòu)成了一個(gè)非齊次的洛倫茲群，也叫龐加萊群。在龐加萊群中，平移發(fā)生器對(duì)應(yīng)的物理量是能量-動(dòng)量矢量。能量、動(dòng)量和角動(dòng)量守恒與時(shí)空的均勻性和各向同性直接相關(guān)，不依賴于物質(zhì)的具體含量。無論微觀還是宏觀，粒子還是場(chǎng)，空氣運(yùn)動(dòng)中的所有物質(zhì)在均勻各向同性時(shí)都服從能量、動(dòng)量和角動(dòng)量守恒定律。

焦耳熱的力學(xué)等效實(shí)驗(yàn)是早期證實(shí)能量守恒的著名實(shí)驗(yàn)。在總能量不變的前提下，固有能量、動(dòng)能、勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化。最典型的例子就是正電子和負(fù)電子湮滅成光子過程中的總固有能量（對(duì)應(yīng)于靜止質(zhì)量）轉(zhuǎn)換成光子能量，也就是電磁輻射能量（相應(yīng)的質(zhì)量就是光子的動(dòng)態(tài)質(zhì)量）再比如原子核裂變過程中，一部分固有能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。由多種成分組成的復(fù)合系統(tǒng)的固有能量（或靜質(zhì)量）是每種成分的固有能量（或靜質(zhì)量）與的相互作用勢(shì)能之和。比如穩(wěn)定原子核的靜止質(zhì)量比組成它的原子核多（質(zhì)子和中子）靜止質(zhì)量之和很小，兩者之差稱為質(zhì)量虧損，對(duì)應(yīng)的能量就是原子核的結(jié)合能（核子間相互作用的勢(shì)能）核能是核反應(yīng)過程中釋放的原子核結(jié)合能，是質(zhì)能關(guān)系的直接證據(jù)。

能量和動(dòng)量守恒定律（角動(dòng)量）守恒定律成功應(yīng)用的最典型的例子是在基本粒子實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)中微子。中微子靜止時(shí)很小、一種不帶電的基本粒子，與物質(zhì)的相互作用極弱。2]20世紀(jì)20年代末30年代初，發(fā)現(xiàn)研究了核β衰變后發(fā)射的電子（即β射線）它帶走的能量小于根據(jù)能量守恒定律它應(yīng)該帶走的能量（似乎失去了一些能量）而且原子核的自旋和電子的自旋都不符合量子力學(xué)中角動(dòng)量合成的規(guī)律。為了解釋這種現(xiàn)象，要么放棄能量和角動(dòng)量守恒定律，要么假設(shè)存在一種不可觀測(cè)的基本粒子中微子，以保持這些守恒定律成立。物理學(xué)家最終選擇了后者，并通過其他基本粒子實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中微子（和反中微子）存在，能量和動(dòng)量守恒定律（角動(dòng)量）守恒定律在這些過程中仍然有效。

上述狹義相對(duì)論能量、質(zhì)量、動(dòng)量的概念和定義，以及能量和動(dòng)量守恒定律（角動(dòng)量）守恒定律，或者更一般的能量–動(dòng)量守恒定律（角動(dòng)量守恒包含在其中），不僅適用于力學(xué)現(xiàn)象，也適用于整個(gè)扁平時(shí)空的物理學(xué)

簡(jiǎn)要概述

能量轉(zhuǎn)化和守恒定律”該提案必須基于三個(gè)基礎(chǔ)：①正確理解熱的本質(zhì)；2發(fā)現(xiàn)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的各種形式之間的轉(zhuǎn)化；③相應(yīng)的科學(xué)理念。到了19世紀(jì)，這三個(gè)條件都滿足了。

19世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)的能量守恒定律是自然科學(xué)中非常重要的定律它的發(fā)現(xiàn)是人類對(duì)自然科學(xué)規(guī)律認(rèn)識(shí)逐步積累的必然結(jié)果能量守恒定律是把機(jī)械能和熱能聯(lián)系起來的定律。

在18世紀(jì)末到19世紀(jì)中葉這段時(shí)間里，人類積累了經(jīng)驗(yàn)和大量的生產(chǎn)實(shí)踐、熱力學(xué)第一定律是建立在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的。在這個(gè)過程中，德國醫(yī)生j.邁耶和英國物理學(xué)家j.焦耳做出了重要貢獻(xiàn)，他們每個(gè)人通過獨(dú)立研究得出了相同的結(jié)論。1842年，邁耶在他的文章《論無機(jī)界的力》中提出了機(jī)械能和熱相互轉(zhuǎn)化的原理，由空氣在恒壓和定容下的比熱容之差計(jì)算出熱值的機(jī)械當(dāng)量。1845年出版的《論有機(jī)體的運(yùn)動(dòng)和新陳代謝》這本書描述了運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)變的25種情況。焦耳從1840年開始就對(duì)電流的熱效應(yīng)和熱的力學(xué)等效做了大量的實(shí)驗(yàn)（見焦耳熱實(shí)驗(yàn)的機(jī)械當(dāng)量）于1840—1845年，《論伏打電池所生的熱》陸續(xù)出版、(《電解時(shí)在金屬導(dǎo)體和電池組中放出的熱》)《論磁電的熱效應(yīng)及熱的機(jī)械作用》《論由空氣的脹縮所產(chǎn)生的溫度變化》等文章。通過各種精確的實(shí)驗(yàn)，他直接得到了熱的力學(xué)當(dāng)量的數(shù)值，結(jié)果的一致性為能量守恒和轉(zhuǎn)化定律奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。除了邁耶和焦耳，許多科學(xué)家也為熱力學(xué)第一定律的建立做出了貢獻(xiàn)。如1839年M.Segan做了一篇關(guān)于熱化學(xué)中反應(yīng)熱與中間過程無關(guān)的定律的文章；1843 3356升.凱爾丁發(fā)表了測(cè)定熱的機(jī)械當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；1847年H.亥姆霍茲在有心臟的假設(shè)下，根據(jù)力學(xué)定律全面論述了機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)和電磁運(yùn)動(dòng)“力”相互轉(zhuǎn)化和守恒定律等等。在這個(gè)歷史時(shí)期，各國科學(xué)家能夠獨(dú)立發(fā)現(xiàn)能量守恒和轉(zhuǎn)化的規(guī)律，是由當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)條件決定的。從18世紀(jì)早期到18世紀(jì)下半葉，蒸汽機(jī)的制造、英國的改良和煉鐵、廣泛應(yīng)用于紡織工業(yè)和熱機(jī)的效率、機(jī)器中摩擦生熱的研究極大地促進(jìn)了人們對(duì)摩擦生熱的認(rèn)識(shí)對(duì)能量轉(zhuǎn)換定律的理解

發(fā)現(xiàn)經(jīng)過

1798年，C·倫福德向英國皇家學(xué)會(huì)提交了一份從炮管實(shí)驗(yàn)中獲得的熱運(yùn)動(dòng)理論的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。1800年，D·大衛(wèi) 美國通過在真空中摩擦冰塊來融化冰塊的實(shí)驗(yàn)支持倫福德 的報(bào)告。1801年，T·《論光和色的理論》楊說光和熱具有相同的性質(zhì)，并強(qiáng)調(diào)熱是一種運(yùn)動(dòng)。此后，熱運(yùn)動(dòng)理論逐漸取代了熱量理論。

1819世紀(jì)之交，各種自然現(xiàn)象之間的相互轉(zhuǎn)化被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)：從熱到功的轉(zhuǎn)化和光的化學(xué)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)之后，1800年發(fā)現(xiàn)了紅外線的熱效應(yīng)。電池一發(fā)明，就發(fā)現(xiàn)了電流的熱效應(yīng)和電解作用。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。10]熱電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于1821年，它的逆現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于1834年，等等。

在世紀(jì)之交，自然被認(rèn)為是“活力”的思想是德國“自然哲學(xué)”的主要觀點(diǎn)。這種哲學(xué)把整個(gè)宇宙看作是某種根本力量造成的歷史發(fā)展的產(chǎn)物。當(dāng)時(shí)，這種哲學(xué)在德國和一些西歐國家占主導(dǎo)地位。

卡諾是第一個(gè)提出熱能轉(zhuǎn)換的人，他認(rèn)為：熱只不過是一種動(dòng)力，或者僅僅是一種運(yùn)動(dòng)形式。熱是一種運(yùn)動(dòng)。對(duì)于一小部分物體來說，如果動(dòng)力被破壞，那么同時(shí)，它也必然會(huì)產(chǎn)生與破壞的動(dòng)力嚴(yán)格成正比的熱量。相反，熱量消失的地方，肯定會(huì)發(fā)電。因此，可以建立這樣一個(gè)命題：力量的大小在本質(zhì)上是不變的更準(zhǔn)確地說，力量的總量既不能產(chǎn)生，也不能消滅。同時(shí)給出了熱的機(jī)械當(dāng)量的粗略值。

卡諾 直到他死后46年，也就是1878年，他的思想才受到重視。1842年以前，德國的邁爾是第一個(gè)學(xué)習(xí)“自然哲學(xué)”以推測(cè)的方式出發(fā)“原因等于結(jié)果”的因果鏈釋放出25種力的轉(zhuǎn)化形式。1845年，他還利用了定壓比熱容和定容比熱容的差異：C－C=R，計(jì)算出的熱功當(dāng)量值為1卡=365 g·m。

1843年，英國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家焦耳做了更多的工作，確定了更精確的當(dāng)量值。1850年，公布的結(jié)果是：要產(chǎn)生一磅水（真空稱重，溫度在55到60之間）增加1華氏度的熱量，下降1英尺需要772磅的機(jī)械功。焦耳的工作，為“力的守恒”該原理奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

德國科學(xué)家亥姆霍茲在1847年出版了他的書《論力的守恒》。提出一切自然現(xiàn)象都應(yīng)該用粒子與中心力相互作用的運(yùn)動(dòng)來解釋。這證明了活力和張力之和對(duì)中心力是保守的結(jié)論。此外，對(duì)熱現(xiàn)象進(jìn)行了討論、電現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象和機(jī)械力之間的關(guān)系，并指出“力的守恒”將原理應(yīng)用于生物體的可能性。因?yàn)楹ツ坊羝?s的討論方式是非常物理的，其影響大于邁耶和焦耳。

定律的發(fā)現(xiàn)者仍然稱能量為“力”而且定律的表述還不夠準(zhǔn)確，但本質(zhì)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律。比較這兩個(gè)表達(dá)，可以看出：力的守恒”比“永動(dòng)機(jī)不能造成”要深刻得多。力的守恒”當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)時(shí)，它包括了所有形式的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，在一定的哲學(xué)思想指導(dǎo)下（邁耳）以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)（焦耳），用公理化結(jié)構(gòu)（亥姆霍茲）建立的理論。

力的守恒”盡管該原理具有焦耳和安培之間的關(guān)系s熱的力學(xué)等效和電熱等效，以及亥姆霍茲推導(dǎo)出的各種關(guān)系，它們都是獨(dú)立的，沒有用一個(gè)統(tǒng)一的解析式來表示。

解析表述

法律的解析表達(dá)，只適用于“熱量”功”能量”和“內(nèi)能”這些概念應(yīng)該準(zhǔn)確定義。在18世紀(jì)，“熱量”慨念是熱質(zhì)的量。1829年，J·在研究蒸汽機(jī)的過程中，龐斯列明確地將功定義為力和距離的乘積。而“能量”概念是1717，j·討論虛位移時(shí)使用的伯努利。1805年，T·年輕的稱為原力能量，從而定義年輕和s模量。但是它的定義從來沒有被人們接受過。一批有識(shí)之士認(rèn)識(shí)到這部法律的重大意義，并為完善這部法律做了卓有成效的工作。其中最著名的是英國的w·湯慕孫與德國r·克勞修斯。正是他們?cè)谇叭说幕A(chǔ)上提出了熱力學(xué)第一第二定律，建立了熱力學(xué)理論體系的大廈。

1850年，克勞修斯發(fā)表了論文《論熱的動(dòng)力和能由此推出的關(guān)于熱學(xué)本身的定律》。指出卡諾 s定理是正確的，用熱運(yùn)動(dòng)解釋并證明。我認(rèn)為一個(gè)原則是“在所有由熱產(chǎn)生功的情況下，一個(gè)熱量的消耗與產(chǎn)生的功成正比，反過來，這個(gè)熱量可以通過消耗相同量的功來產(chǎn)生。加上一個(gè)原理即“在沒有任何力的消耗或其他變化的情況下，任何量的熱從冷的物體傳遞到熱的物體，這與熱電元件的行為相反。來論證。把熱看作一個(gè)狀態(tài)量。

W·湯姆孫

克勞修斯最終得到了熱力學(xué)第一定律的解析公式：

dQ=dU-dW

這時(shí)，能量轉(zhuǎn)化和守恒定律與熱力學(xué)第二定律的熵表達(dá)式一起構(gòu)成了熱力學(xué)理論體系的基礎(chǔ)。

1853年，湯慕孫重新定義了能量的定義：把處于給定狀態(tài)的物質(zhì)系統(tǒng)的能量表示為：當(dāng)它以任何方式從這個(gè)給定的狀態(tài)過渡到任何一個(gè)固定的零狀態(tài)時(shí)，由機(jī)械功單位測(cè)量的系統(tǒng)外產(chǎn)生的各種作用的總和。稱狀態(tài)函數(shù)為u內(nèi)能。人們開始把牛頓 s“力”描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的特征“能量”區(qū)分它們并廣泛使用它們。在此基礎(chǔ)上，蘇格蘭物理學(xué)家w·蘭金把“力的守恒”原理改稱為“能量守恒”原理。

自1854年以來，克勞修斯做了大量工作，試圖找到一種可以接受的證明方法來解釋這一原理。1860年，能量守恒原理被普遍認(rèn)可。

能量既不能被創(chuàng)造也不能被消滅。能量守恒是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律之一。物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的形式多種多樣，可以相互轉(zhuǎn)化。8]轉(zhuǎn)化前后，作為物質(zhì)運(yùn)動(dòng)量度的能量之和保持不變。能量守恒的概念早就被力學(xué)領(lǐng)域的物理學(xué)家證明了。但是，這個(gè)守恒概念推廣到熱能，用了兩三百年。歷史上對(duì)熱能有過各種各樣的誤解。從18世紀(jì)到19世紀(jì)中期，自然科學(xué)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被熱和質(zhì)量理論所支配。這種片面的理論認(rèn)為，物質(zhì)中存在一種流體，叫做熱質(zhì)。溫差引起的熱傳遞被認(rèn)為是從高溫物體流向低溫物體的熱質(zhì)量；摩擦生熱被認(rèn)為是熱質(zhì)量釋放的結(jié)果。這個(gè)理論與許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)相矛盾。當(dāng)蘭福德在1798年開發(fā)槍管時(shí)，人們觀察到產(chǎn)生的熱量與通過鉆孔和研磨去除的金屬碎屑不成比例此外，如果用鈍鉆繼續(xù)鉆孔和研磨，釋放的熱量幾乎是無限的，這表明熱質(zhì)量不可能是一種物質(zhì)。以后又經(jīng)過H.戴維、J.邁爾、H.亥姆霍茲等人的工作，尤其是在1840年—1848年間J.焦耳 通過熱的力學(xué)等效實(shí)驗(yàn)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到熱質(zhì)量是不存在的。熱量的傳遞或變換和機(jī)械功電功的傳遞或變換一樣，也是一種能量的傳遞或變換，在傳遞或變換過程中總能量是恒定的。這樣，能量守恒在普遍的基礎(chǔ)上得到了證實(shí)

1860年，能量守恒定律“它很快成為所有自然科學(xué)的基石。尤其是物理學(xué)，每一個(gè)新理論都要先檢驗(yàn)是否符合能量守恒原理。然而，該原理的發(fā)現(xiàn)者只注重從量的守恒中概括規(guī)律，而不強(qiáng)調(diào)運(yùn)動(dòng)的變換。

直到20世紀(jì)初，熱力學(xué)中一個(gè)重要的基本概念——仍然遵循著18世紀(jì)的定義，這個(gè)定義是基于熱量論的，熱力學(xué)大廈的基石中仍然存在著不穩(wěn)定的一塊。因此，1909年，c·卡拉格重新定義了內(nèi)部能量：任何物體或物體系統(tǒng)在平衡態(tài)都有一個(gè)狀態(tài)函數(shù)U，稱為其內(nèi)能當(dāng)物體經(jīng)歷一個(gè)從第一狀態(tài)到第二狀態(tài)的絕熱過程時(shí)，其內(nèi)能的增加等于外界在此過程中所做的功W。

U－U=W

這樣定義的內(nèi)能與熱無關(guān)，只與機(jī)械能和電磁能有關(guān)。這時(shí)，熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和整個(gè)熱力學(xué)理論拋棄了熱量論。

否定永動(dòng)機(jī)

據(jù)說永動(dòng)機(jī)的概念起源于印度，12世紀(jì)傳入歐洲。據(jù)記載歐洲最早、最著名的永動(dòng)機(jī)之一是由法國人V在13世紀(jì)設(shè)計(jì)的·亨內(nèi)考提出來的。隨后，研究和發(fā)明永動(dòng)機(jī)的人不斷涌現(xiàn)，雖然很多學(xué)者指出永動(dòng)機(jī)是不可能的。

文藝復(fù)興時(shí)期的意大利學(xué)者達(dá)達(dá)·芬奇曾經(jīng)花了很大的精力研究永動(dòng)機(jī)，最后得出結(jié)論永動(dòng)機(jī)是造不出來的。同時(shí)代的J·卡丹（它因第一個(gè)給出解三次方程的根而聞名），也認(rèn)為永動(dòng)機(jī)是不可能的。第一種永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律，第二種違反熱力學(xué)第二定律。

隨著人們認(rèn)識(shí)到永動(dòng)機(jī)的不可能性，一些國家的專利局決定不受理發(fā)明永動(dòng)機(jī)的專利申請(qǐng)。

經(jīng)驗(yàn)性表述

13世紀(jì)，人們開始萌發(fā)制造永動(dòng)機(jī)的愿望。5]在15世紀(jì)，偉大的藝術(shù)家、科學(xué)家和工程師·芬奇致力于永動(dòng)機(jī)的研究。1475年，達(dá)·芬奇認(rèn)真總結(jié)了歷史上失敗的教訓(xùn)，得出了一個(gè)重要結(jié)論：永動(dòng)機(jī)是不可能引起的。他還意識(shí)到機(jī)器之所以能夠 永遠(yuǎn)不動(dòng)與摩擦力有關(guān)。因此對(duì)摩擦進(jìn)行了深入有效的研究。但是達(dá)·芬奇從未對(duì)阻礙機(jī)器運(yùn)動(dòng)的摩擦做出科學(xué)解釋，他現(xiàn)在仍然可以 我不理解摩擦（機(jī)械運(yùn)動(dòng)）相變與熱現(xiàn)象的本質(zhì)關(guān)系。

此后，一些學(xué)者得出結(jié)論“永動(dòng)機(jī)是不可能引起的”結(jié)論，并把它作為科學(xué)研究的重要原則。荷蘭數(shù)學(xué)力學(xué)家s·斯臺(tái)文，在1586年，用這個(gè)原則通過了權(quán)利“斯臺(tái)文鏈”力的平行四邊形法則首先來源于對(duì)力的分析。伽利略在證明慣性定律時(shí)也應(yīng)用了這個(gè)原理。

1673年，C·惠更斯在他的書《擺式時(shí)鐘》中反映了這一觀點(diǎn)。應(yīng)用伽利略和s關(guān)于斜面運(yùn)動(dòng)的研究成果轉(zhuǎn)化為曲線運(yùn)動(dòng)，并得出結(jié)論：在重力作用下，物體繞水平軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，其質(zhì)心不會(huì)上升到下落時(shí)的高度以上。因此得出結(jié)論，用機(jī)械方法制造永動(dòng)機(jī)是不可能的。

歷史上運(yùn)用“永動(dòng)機(jī)是不可能制造出來的”這一原理在法國青年科學(xué)家卡諾的科學(xué)研究中取得了輝煌的成就。

卡諾是在1824年引進(jìn)的“卡諾定理”，原則只能在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中和“熱質(zhì)”在流動(dòng)中的應(yīng)用不是現(xiàn)代意義上的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，而是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)中能量守恒的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是定律的原始形式。

第一種永動(dòng)機(jī)是不可能造成的”這是熱力學(xué)第一定律的另一種表達(dá)。在第一定律成立之前，很多人幻想制造出一種不消耗能量就能做功的機(jī)器，被稱為第一種永動(dòng)機(jī)。制造這種永動(dòng)機(jī)的努力的徹底失敗，從反面促進(jìn)了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的建立。

熱力機(jī)械

1798年，美國人c·蘭福德在用鏜刀鉆炮管青銅毛坯時(shí)發(fā)現(xiàn)金屬毛坯是熱的。蘭福德注意到，只要無聊不 不要停下來，金屬繼續(xù)升溫。結(jié)論是鏜刀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱，所以熱是運(yùn)動(dòng)的一種形式，而不是之前認(rèn)為的物質(zhì)。蘭福德試圖計(jì)算一定量的機(jī)械能所產(chǎn)生的熱量，并首次給出了熱值的大致機(jī)械當(dāng)量。半個(gè)世紀(jì)后，焦耳提供了正確的數(shù)值。

1712年，英國t·紐科門發(fā)明了大氣蒸汽機(jī)。這臺(tái)機(jī)器有一個(gè)氣缸和一個(gè)活塞工作時(shí)，蒸汽首先進(jìn)入汽缸此時(shí)，汽缸停止供應(yīng)蒸汽，水進(jìn)入汽缸當(dāng)蒸汽凝結(jié)成水時(shí)，氣缸內(nèi)的氣壓迅速降低，水會(huì)被吸上來。然后蒸汽被引入汽缸，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。起初，這種蒸汽機(jī)每分鐘來回十次左右，可以自動(dòng)工作，極大地方便了礦井中的抽水工作。

J·瓦特在18世紀(jì)下半葉改進(jìn)了蒸汽機(jī)。6]其中，有兩個(gè)最重要的改進(jìn)一個(gè)是發(fā)明冷凝器提高蒸汽機(jī)效率，一個(gè)是發(fā)明離心調(diào)速器自由控制蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速。瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)后，它被廣泛應(yīng)用于工業(yè)。

溫度計(jì)的發(fā)明

一個(gè)精確的熱理論應(yīng)該從溫度計(jì)的制造開始。17世紀(jì)，G·伽利略和其他人開始制造溫度計(jì)。由于采用的溫標(biāo)使用不便，后人很少使用。

1714年，實(shí)用溫標(biāo)是德國物理學(xué)家d·沃倫海開始用水銀作為溫度計(jì)，并不斷改進(jìn)它1717年，它確定了華氏溫標(biāo)。科學(xué)家已經(jīng)正式確定華氏溫標(biāo)是：假設(shè)水的沸點(diǎn)是212度，水的冰點(diǎn)是32度。這一規(guī)定是為了避免對(duì)通常的溫度取負(fù)值。

從1742年到1743年，瑞典天文學(xué)家a·謝修斯發(fā)明了攝氏溫標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水的冰點(diǎn)是零度，水的沸點(diǎn)是100度。1948年，國際度量衡會(huì)議將攝氏度定為國際標(biāo)準(zhǔn)。

熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)

J·焦耳在1835年遇到了曼徹斯特大學(xué)的教授道爾頓。焦耳 的數(shù)學(xué)知識(shí)有限，研究主要靠測(cè)量。1840年對(duì)帶電導(dǎo)體進(jìn)行多次測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)電能可以轉(zhuǎn)化為熱能，得出了一個(gè)定律：電導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量和電流強(qiáng)度的平方、導(dǎo)體的電阻與通過時(shí)間成正比。

焦耳在英國學(xué)術(shù)會(huì)議上宣布，他繼續(xù)探索各種運(yùn)動(dòng)形式之間的能量守恒和轉(zhuǎn)化的關(guān)系：自然界的能量可以 在消耗機(jī)械能的地方，總能獲得相當(dāng)多的熱量熱只是能量的一種形式。

焦耳不斷改進(jìn)測(cè)量方法，提高測(cè)量精度，最終得出“熱功當(dāng)量”的物理常數(shù)是423.9 千克米/Kcal，這個(gè)常數(shù)的精確值是418.4千克米/千卡。國際單位制中熱量的單位是焦耳，1卡=4.184焦耳。12]13]

熱量的發(fā)現(xiàn)

18世紀(jì)50年代，英國科學(xué)家j·布萊克將相同重量的32華氏度的冰塊與172華氏度的水相混合結(jié)果發(fā)現(xiàn)平均溫度是32華氏度而不是102華氏度，結(jié)果是所有的冰塊都融化成了水。布萊克得出結(jié)論：冰融化時(shí)需要吸收大量的熱量，使冰變成水，但不會(huì)導(dǎo)致溫度升高。他猜測(cè)冰融化時(shí)吸收的熱量是肯定的。大量進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)使布萊克發(fā)現(xiàn)各種物質(zhì)都在發(fā)生狀態(tài)變化（熔解、凝固、汽化、凝結(jié)）有這種效果。

布萊克用一種簡(jiǎn)單直觀的方法來測(cè)量水汽化所需的熱量。布萊克測(cè)量出融化一定量的冰所需的熱量等于在華氏140度加熱同樣重量的水所需的熱量（相當(dāng)于加熱77.8℃所需的熱量）正確的數(shù)值是143華氏度（相當(dāng)于80℃）

基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)，布萊克開始認(rèn)識(shí)到熱和溫度是兩個(gè)不同的概念，并引入了“潛熱”熱量）概念。

1780年，法國科學(xué)家a·拉瓦錫與P·拉普拉斯提出了一種正確測(cè)量物質(zhì)熱容量的方法。由于熱的準(zhǔn)確性，1822年，法國學(xué)者j·傅立葉發(fā)表了一篇總結(jié)性的作品《熱的解析理論》。

活力與死力之爭(zhēng)

1644年R·笛卡爾在《哲學(xué)原理》討論碰撞問題的時(shí)候引用過

引入動(dòng)量的概念來度量運(yùn)動(dòng)。1687年，牛頓用《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中動(dòng)量的變化測(cè)力。3]與此不同的是G·在1686年的一篇論文中，萊布尼茨抨擊笛卡爾，主張用質(zhì)量乘以速度的平方來衡量運(yùn)動(dòng)，萊布尼茨稱之為活力。牛頓 用動(dòng)量來衡量的力叫做死力。萊布尼茨 的命題與惠更斯 碰撞研究的結(jié)論是“當(dāng)兩個(gè)物體相互碰撞時(shí)，它們的質(zhì)量和速度平方的乘積之和在碰撞前后保持不變。

自從萊布尼茨挑起爭(zhēng)論以來，笛卡爾和萊布尼茨之間就一直存在爭(zhēng)論。這場(chǎng)爭(zhēng)論持續(xù)了近半個(gè)世紀(jì)，眾多學(xué)者參與其中，各有各的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。1743年，法國學(xué)者j·D 阿朗貝爾在《論動(dòng)力學(xué)》中說：對(duì)于衡量一個(gè)力來說，用它來給一個(gè)受它影響一定距離的物體以活力，或者用它來給一個(gè)受它影響一定時(shí)間的物體以動(dòng)量，也是合理的。D 阿朗貝爾揭示了生命力是根據(jù)作用距離來衡量力的大小，而動(dòng)量是根據(jù)作用時(shí)間來衡量力的大小。爭(zhēng)論最終解決了。活力被普遍認(rèn)為是一個(gè)正式的機(jī)械術(shù)語。

雖然生命力的概念被接受，但生命力與力量的關(guān)系并不明確。1807年，英國學(xué)者t·楊提出了能量的概念，1831年法國學(xué)者g·科里奧利引入了力做功的概念，表明力做功轉(zhuǎn)化為物體的動(dòng)能，即自然界中機(jī)械能守恒。

邁爾的發(fā)現(xiàn)

邁爾

J·邁爾（1814－1878）是德國物理學(xué)家。

1840年去爪哇島的航行中，出于對(duì)動(dòng)物體溫的考慮，我對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生了興趣。當(dāng)他為生病的水手放血治療時(shí)（當(dāng)時(shí)流行的療法），發(fā)現(xiàn)靜脈里的血是明亮的。他認(rèn)為血液在熱帶是鮮紅色的，而身體不是它不需要燃燒更多的氧氣來保持體溫，就像在溫帶一樣。這一現(xiàn)象促使邁耶思考這樣一個(gè)事實(shí)體內(nèi)的食物轉(zhuǎn)化為熱量，身體可以做功。得出結(jié)論，熱和功是可以相互轉(zhuǎn)化的。

他注意到許多人 s當(dāng)時(shí)在永動(dòng)機(jī)上的實(shí)驗(yàn)都以失敗告終，這讓他猜測(cè)“機(jī)械功不可能無中生有”

1841年9月12日，他在給朋友的信中首次提到了熱的機(jī)械當(dāng)量：解決以下問題仍然極其重要：某一重物（例如100磅）必須舉到地面多高，才能使這個(gè)高度對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)量和放下重物所獲得的運(yùn)動(dòng)量正好等于把一磅0℃的冰轉(zhuǎn)化為0℃的水

所必要的熱量。

1840年，邁耶開始思考人身上的熱量從何而來？心臟的運(yùn)動(dòng)可以 不會(huì)產(chǎn)生這么多的熱量，而且它能 不要保持體溫。體溫是由整個(gè)身體維持的有血有肉，來自食物，最終來自植物，植物通過吸收太陽的光和熱而生長(zhǎng)。最后，它歸結(jié)為能量是如何轉(zhuǎn)化的（轉(zhuǎn)移）

邁耶寫了一篇文章《論無機(jī)界的力》，測(cè)得熱的機(jī)械當(dāng)量為365kgm/千卡。論文提交至《物理年鑒》，但未發(fā)表。不僅學(xué)術(shù)上不被理解，生活上也經(jīng)歷了重大打擊。1858年，邁耶被世人重新發(fā)現(xiàn)，并被瑞士巴塞爾自然科學(xué)院授予榮譽(yù)博士。獲得了皇家學(xué)會(huì)的科普利獎(jiǎng)?wù)隆⒌儋e根大學(xué)榮譽(yù)哲學(xué)博士、意大利巴伐利亞和都靈科學(xué)院院士頭銜。

邁耶是第一個(gè)進(jìn)行熱的力學(xué)等效實(shí)驗(yàn)的學(xué)者，盡管他的實(shí)驗(yàn)比焦耳 南。他首先表述了能量守恒定律：正是這個(gè)相反的證明顯示了我的定律的絕對(duì)真理：也就是科學(xué)界公認(rèn)的定理：永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理論上是絕對(duì)不可能的。

邁耶證明了太陽是地球上所有生物和非生物能量的最終來源。

后來，亥姆霍茲和焦耳 的論文相繼發(fā)表，人們把能量守恒定律的發(fā)明者歸功于亥姆霍茲和焦耳，但不承認(rèn)邁耶。

1858年，亥姆霍茲閱讀了邁爾 s 1852論文并承認(rèn)邁耶 他的思想早于他的有廣泛影響的論文。克勞修斯也認(rèn)為邁耶是守恒定律的發(fā)現(xiàn)者。1862年，廷德爾系統(tǒng)地介紹了邁耶 他在倫敦皇家學(xué)會(huì)工作，他的成就最終得到了學(xué)會(huì)的認(rèn)可。

亥姆霍茲的發(fā)現(xiàn)

1847年7月23日·亥姆霍茲（1821—1894）他把一份題為《論力的守恒》的報(bào)告交給物理協(xié)會(huì)，交給《物理學(xué)編年史》的編輯沒想到，它遭遇了和邁耶 的手稿，編輯拒絕發(fā)表，因?yàn)闆]有實(shí)驗(yàn)事實(shí)。

他在一家著名的出版社以小冊(cè)子的形式出版了這篇論文。文章的結(jié)論與焦耳 這個(gè)實(shí)驗(yàn)很快就被稱為“自然的最高和最重要的原則”由于著名出版社的出版，亥姆霍茲和邁耶的命運(yùn)完全不同。英國學(xué)者開爾文采用了t·楊提出的能量概念采用了“勢(shì)能”代替“彈力”，以“動(dòng)能”代替“活力”力學(xué)中延續(xù)了近200年的模糊概念被改變了。

能量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律，是人們認(rèn)識(shí)和利用自然的有力武器。

1.雅芳伽德羅常數(shù)NA=6.02×1023/mol;分子直徑是10個(gè)數(shù)量級(jí)-10米

2.油膜法測(cè)量分子直徑d=V/s {V:單分子油膜的體積(m3)，S:油膜表面積(m)2｝

3.分子動(dòng)理論內(nèi)容：物質(zhì)是由大量分子組成的；大量分子做隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)；分子之間有相互作用。

4.分子間的引力和斥力(1)R10r0，F(xiàn)引=f斥力≈0，F(xiàn)分子力≈0，E分子勢(shì)能≈0

5.熱力學(xué)第一定律w q=δ u{功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式，它們?cè)谛Ч鲜堑刃У?，W:外界對(duì)物體所做的正功(J)Q:物體吸收的熱量(J)，δδu :增加了內(nèi)能(J)，涉及第一種永動(dòng)機(jī)不能制造〔見第二冊(cè)P40〕

6.熱力學(xué)第二定律

克氏表述：不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不引起其他變化(熱傳導(dǎo)的方向性)

開氏表述：不可能從單一熱源吸收熱量，然后全部用來做功而不引起其他變化(機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)到了第二種永動(dòng)機(jī)，就做不出來了〔見第二冊(cè)P44〕

7.熱力學(xué)第三定律：熱力學(xué)零度是無法達(dá)到的{宇宙溫度下限：273.15攝氏度(熱力學(xué)零度)

注:

1)布朗粒子不是分子布朗粒子越小，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯，溫度越高，布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈;

2)溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志;

3)分子間的引力和斥力同時(shí)存在，并隨著分子間距離的增大而減小，但斥力減小的速度比引力快;

4)當(dāng)分子力做正功時(shí)，分子勢(shì)能減小，在r0，F(xiàn)引力=F斥力，分子勢(shì)能最小;

5)氣體膨脹時(shí)，外界對(duì)氣體做負(fù)功W0;隨著溫度的升高，內(nèi)能增加δU0;吸收熱量，Q0

6)物體的內(nèi)能是指分子的全部動(dòng)能和物體的分子勢(shì)能之和對(duì)于理想氣體，分子間力為零，分子勢(shì)能為零;

7)R0是平衡時(shí)分子間的距離。

能源的利用和轉(zhuǎn)化也遵循能量守恒定律。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)，因此必須合理利用能源資源，并盡可能降低能量的浪費(fèi)。在能源轉(zhuǎn)化的過程中，雖然會(huì)有一些能量轉(zhuǎn)化為無用的熱量或其他形式的能量損失，但總能量仍然是守恒的。

能量守恒定律不僅對(duì)自然界的運(yùn)行起著指導(dǎo)作用，也對(duì)科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展具有重要意義。在物理學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科中，能量守恒定律經(jīng)常被應(yīng)用于解決問題和設(shè)計(jì)系統(tǒng)。只有遵循能量守恒定律，才能確保能夠合理利用能源，推動(dòng)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

總之能量守恒定律是自然界中的一條基本規(guī)律，它揭示了能量的轉(zhuǎn)化和守恒原理。無論是在科學(xué)研究、日常生活還是能源利用中，都需要遵循能量守恒定律，以實(shí)現(xiàn)能量的有效轉(zhuǎn)化和利用。只有這樣，才能保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，為人類創(chuàng)造一個(gè)更加美好的未來。