谈能量转化与守恒定律

谈能量转化与守恒定律

能量转化与守恒定律：能量既不能创生，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体上，而总的能量始终保持不变。这就是能的转化与守恒定律——简称能量守恒定律。

作者从教已经有27年了，每次讲完能量转化与守恒的内容后，总感到有很多缺憾，一直想对其中的内容实行一些研究，但始终无从下手。通过对物理学年谱的分析，并仔细阅读了郭奕玲、沈慧君所著的《物理学史》一书中相关内容，同时，分析了同一时期西方近代史、中国近代史，以及部分哲学家的思想，颇有收益，现整理成文后，供大家参考，其中多有不对之处，请大家批评指正。

这篇文章中，作者想尝试说明五点内容：1、定律的形成过程；2、影响定律描述的因素；

3、定律对社会发展的作用；

4、定律与“低碳”；

5、定律与解决物理问题的新方法等五个方面的问题。

一、能量转化与守恒定律的形成过程

19 世纪40 年代以前，自然科学的发展为能量转化与守恒原理奠定了基础。主要从以下几个方面作了准备。

1．力学方面的准备

早在力学初步形成时就已有了能量守恒思想的萌芽。例如，1590年，伽利略研究斜面问题和摆的运动中，理解到物体自由降落所达到的速度能够使它回到原高度。斯梯芬(Stevin，1548—1620)研究杠杆原理，惠更斯研究完全弹性碰撞等都涉及能量守恒问题。17 世纪法国哲学家笛卡儿已经明确提出了运动不灭的思想。以后德国哲学家莱布尼兹(Leibniz，1646—1716)引进活力(Visviva)的概念，首先提出活力守恒原理，他认为用mv2 度量的活力在力学过程中是守恒的，宇宙间的“活力”的总和是守恒的。D．伯努利(DanielBernoulli，1700—1782)的流体运动方程实际上就是流体运动中的机械能守恒定律。永动机不可能实现的历史教训，从反面提供了能量守恒的例证，成为导致建立能量守恒原理的重要线索。

至19 世纪20 年代，力学的理论著作强调“功”的概念，把它定义成力对距离的积分，

并澄清了它和“活力”概念之间的数学关系，提供了一种机械“能”的度量，这为能量转换建立了定量基础。1835 年哈密顿(W.R.Hamilton，1805—1865)发表了《论动力学的普遍方法》一文，提出了哈密顿原理。至此，能量转化与守恒定律及其应用已经成为力学中的基本内容。

2．化学、生物学方面的准备

法国的拉瓦锡(voisier，1743—1794)和拉普拉斯(place，1749—1827)以前研究过一个重要的生理现象，他们证明豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等。德国化学家李比希(J.Liebig，1803—1873)的学生莫尔(F．Mohr，1806—1879)则进一步认为不同形式的“力”（即能量）都是机械“力”的表现，他写道：“除了54 种化学元素外，自然界还有一种动因，叫做力。力在适当的条件下能够表现为运动、化学亲和力、凝聚、电、光、热和磁，从这些运动形式中的每一种能够得出一切其余形式。”他明确地表述了运动不同形式的统一性和相互转化的可能性。

3．热学方面的准备

伦福德伯爵(CountRumford，原名本杰明·汤普森BenjaminThompson，1753—1814)在18 世纪末，做了一系列摩擦生热的实验攻击热质说。他仔细观察了大炮膛孔时的现象，1798 年1 月25 日在皇家学会宣读他的文章：“最近我应约去慕尼黑兵工厂领导钻制大炮的工作。我发现，铜炮在钻了很短的一段时间后，就会产生大量的热；而被钻头从大炮上钻下来的铜屑更热（象我用实验所证实的，发现它们比沸水还要热）。”伦福德分析这些热是因为摩擦产生的，他说：“我们一定不能忘记，在这些实验中，由摩擦所生的热的来源似乎是无穷无尽的。”伦福德的实验引起不小的反响。在他的影响下，有一位英国化学家戴维(HumphryDavy，1778—1829)，曾在1799 年发表了《论热、光及光的复合》一文，介绍了他所做的冰块摩擦实验，这个实验为热功相当性提供了有说服力的实例，激励更多的人去探讨这个问题。4．电磁学方面的准备

19 世纪二、三十年代，电磁学的基本规律陆续发现，人们自然对电与磁、电与热、电与化学等关系密切注视。法拉第(MichaelFaraday， 1791—1867)尤其强调各种“自然力”的统一和转化，他认为“自然力”的转变，是其不灭性的结果。“自然力”不能从无生有，一种“力”的产生是另一种“力”消耗的结果。法拉第的很多工作都涉及转化现象，如电磁感应、电化学和光的磁效应等。他在1845 年发表一篇讨论磁对光的作用的论文，表述了他对“力”的统一性和等价性的基本概念，他写道：“物质的力所处的不同形式很明显有一个共同的起源，换句话说，是如此直接地联系着和互相依赖着，以至于能够互相转换，并在其

行动中，力具有守恒性。”“力”的转化这个概念使他做出重要的发现。在电与热的关系上，1821 年塞贝克(Seebeck)发现的温差电现象是“自然力”互相转化的又一重要例证。后面还将提到焦耳(J.P.Joule，1818—1889)在1840 年研究了电流的热效应，发现i2R 定律，这是能量转化的一个定量关系，对能量转化与守恒定律的建立有重要意义。

能量转化与守恒定律的建立，经历了两个主要过程：

1、能量转化与守恒定律初步形成

19 世纪初，因为蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关系，对蒸汽机“出力”作出理论上的分析。所以热与机械功的相互转化得到了广泛的研究。埃瓦特(PeterEwart，1767—1842)对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的“机械动力”之间的关系作了研究，建立了定量联系。丹麦工程师和物理学家柯尔丁(L.Colding，1815—1888)从事了摩擦生热的实验。俄国的赫斯(G.H.Hess，1802—1850)在更早就从化学的研究得到了能量转化与守恒的思想。1836 年赫斯向彼得堡科学院报告：“经过连续的研究，我确信，不管用什么方式完成化合，由此发出的热总是恒定的，这个原理是如此之明显，以至于如果我不认为已经被证明，也能够不加思索就认为它是一条公理。”至此，能量转化与守恒定律已初步形成。其实法国工程师萨迪·卡诺(SadiCarnot，1796—1832)早在1830 年就已确立了功热相当的思想，他在笔记中写道：“热不是别的什么东西，而是动力，或者能够说，它是改变了形式的运动，它是（物体中粒子的）一种运动（的形式）。当物体的粒子的动力消失时，必定同时有热产生，其量与粒子消失的动力精确地成正比。相反地，如果热损失了，必定有动力产生。”“所以人们能够得出一个普遍命题：在自然界中存有的动力，在量上是不变的。准确地说，它既不会创生也不会消灭；实际上，它只改变了它的形式。”

2、能量转化与守恒定律的确立

1807年，英国的托·杨首次把活力叫做能量。对能量转化与守恒定律作出明确叙述有重大贡献的，首先要提到三位科学家。他们是德国的迈尔(RobertMayer，1814—1878)、赫姆霍兹(Hermann vonHelmholtz，1821—1894)和英国的焦耳。能量转化与守恒定律是自然界基本规律之一。恩格斯对这个规律的发现给予崇高的评价，把它和达尔文进化论及细胞学说并列为三大自然发现。能量转化与守恒定律这个全面的名称就是恩格斯首先提出来的。完整的数学形式则是德国的克劳修斯（Rudoff Julius EmanuelClausius，1822—1888）在1850 年首先提出的。W.汤姆生（William Thomson，即开尔文，LordKelvin，1824—1907）在1851 年更明确地把函数u 称为物体所需要的机械能（mechanicalenergy），他把上式看成热功相当性的表示式，这样就全面阐明了能、功和热量之间的关系。1852 年，W.汤姆生进一步用动