能量守恒定律

能量守恒定律是自然科学领域的重要基本原理之一，它揭示了能量在自然界中的转化和守恒规律。根据能量守恒定律，能量既不能从虚空中创造出来，也不能消失无踪，而是可以在不同形式之间转换。

能量守恒定律在热力学中有着广泛的应用。热力学研究的是能量的转化和热量的传递，而能量守恒定律正是热力学理论的基石。在一个封闭系统中，能量的总量始终保持不变。无论是机械能、化学能、电能还是热能，它们都可以相互转换，但总量不会发生改变。

能量守恒定律

能量是物质运动转化的量度“能”世界上的一切都在不断运动在物质的所有属性中，运动是最基本的属性，其他属性都是运动的具体表现。能量是物理系统做功能力的量度。

能量（energy）它是物质的基本物理性质之一，是物质运动的统一度量。

能量的单位和功的单位是一样的，在国际单位制中是焦耳（J）在原子物理学、原子核物理学、电子伏特通常用于粒子物理和其他领域（eV）作为一个单位，1电子伏=1.60218×10焦耳。在物理学领域，erg也被使用（erg）作为能量单位，1尔格=10焦耳。

能量以许多不同的形式存在；根据物质运动形式的不同，能量可以分为机械能、化学能、热能、电能、辐射能、核能。这些不同形式的能量可以通过物理效应或化学反应相互转化

各种领域也有能量。

能量的英文“energy”一字源于希腊语：νρ γ ε ι α，这个词最早出现在亚里士多德 s作品于公元前4世纪。伽利略时代已经出现“能量”想过，但还没有“能”这一术语。能量的概念来自17世纪的莱布尼茨“活力”一个想法，定义为物体质量和速度平方的乘积，相当于今天动能的两倍。为了解释因摩擦而减慢速度的现象，莱布尼茨 的理论认为热能是由物体中组成物质的随机运动构成的，这一观点与牛顿 尽管这个想法花了一个世纪才被普遍接受。

能量（Energy）这个词是T.杨在国王与王后讲自然哲学时引入了这一概念在1807年的伦敦大学“活力”或“上升力”的观点，提出用“能量”这个词是表示和物体所做的功有关的，但没有引起注意人们仍然认为不同的运动包含不同的力。1831年，法国学者科里奥利引入了力做功的概念，并在“活力”前加了1/2系数，称为动能，通过积分给出功和动能的关系。出现在1853年“势能”出现在1856年“动能”这些术语。直到能量守恒定律被证实，人们才意识到能量概念的意义和实用价值。

空间属性是物质运动的广泛体现；时间属性是物质运动的持久体现；引力性质是运动过程中质量分布不均匀引起的相互作用的体现；电磁性质是带电粒子在运动变化过程中的外在表现，等等。物质的运动形式多种多样，每一种具体的物质运动形式都有相应的能量形式。

与宏观物体的机械运动相对应的能量形式是动能；与分子运动相对应的能量形式是热能；与原子运动相对应的能量形式是化学能；带电粒子定向运动对应的能量形式是电能；光子运动对应的能量形式是光能，等等。除了这些，还有风能、潮汐能等。当运动形式相同时，物体的运动特性可以用一些物理量或化学量来描述。物体的机械运动可以用速度来衡量、加速度、动量和其他物理量；电流可以用电流强度来衡量、电压、功率和其他物理量。但如果运动形式不同，唯一能描述和比较物质运动特征的物理量就是能量，这是所有运动物质的共同特征。

不同形式的能量可以通过物理效应或化学反应相互转化。

与物质运动的各种形式相对应，能量也有各种形式。机械能，如动能，表现为机械运动中物体或系统的整体、势能、声能等。在热现象中，是系统的内能，是系统中每个分子随机运动的动能、分子间相互作用的势能、原子和原子核的能量总和，但不包括整个系统的机械能。对于热运动能（旧称热能）人们是通过它和机械能的相互转化而认识的（参见热力学第一定律）各种领域也有能量

机械能、化学能、热能、电（磁）能、辐射能、有许多方法可以转换不同类型的能源，例如核能。比如最常见的电能（交流电和电池）它可以由许多其他形式的能量转化而来，如机械能–电能的转变（水力发电）核能–热能–机械能–电能的转变（核能发电）化学能–电能的转变（电池）等。

常见表述：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一个物体转移到另一个物体，或者从一种形式转移到另一种形式，能量的总量在转化或转移过程中保持不变。

热力学第一定律：在所有涉及宏观热现象的过程中能量守恒和转化普遍规律的具体表达。热力学第一定律证实，在任何过程中，系统从周围介质中吸收的热量、在对介质所做的功和系统内能的增量之间有一个数量守恒。

热力学第一定律是能量守恒定律，是人类经验的总结，其他任何原理都无法证明。热力学系

统一能量表示为内能、热和功，热力学第一定律是能量守恒的一种表述。从中得出的结论并没有发现与事实相矛盾。根据热力学第一定律，可以想象应该制造一种机器，不依赖外界能量供应，本身不减少能量，而是不断对外做功，不消耗能量。人们称这种假想的机器为第一种永动机。因为你必须消耗能量对外界做功，你可以 不消耗能量就不能对外做功，所以第一定律也可以表述为“第一种永动机是不可能造成的”反之，第一类永动机永远造不出来，证明第一定律是正确的。

热力学系统的内能通常会在从状态1到状态2的过程后发生变化。根据能量守恒定律：

ΔU=Q－W （1）

式中ΔU=U－u是系统的内能增量；q是系统在此过程中从环境中吸收的热量；w是这个过程中系统对环境所做的功。式（1）是热力学第一定律的数学表达。

式（1）其中u是状态函数，即δ的值只取决于系统的初态和终态，与系统从初态变化到终态的具体过程无关，而Q和W 与该过程有关。应用式（1）注意，Q和Q的符号是：系统吸收热量Q0并释放热量Q0；系统在环境0下工作，环境在系统W 0下工作。

如果系统的状态稍有变化，热力学第一定律就写成如下：

dU=δQ－δW （2）

其中δQ和δW  分别是微热和微功的过程，它们不是完全差分的，所以使用它们“δ”而不用“d”来表达，用全微分来表达差。

热力学第一定律也可以表述为第一类永动机（不消耗任何燃料和能量就能自动做功的机器）是做不成的。

当系统开放时，它与介质之间不仅存在热力和机械相互作用，还存在物质交换，所以热力学第一定律的表述还应加上一个由物质交换引起的能量的增量或减量。

机械能是机械现象中物体的能量形式，包括动能和势能（位能）即机械能=动能势能。

在封闭的机械系统中（保守力学系统）只有保守力做功，当机械能和其他形式的能量没有相互转换时，机械能守恒，系统能量表示为机械能。能量守恒体现在机械能守恒定律中。机械能守恒定律是能量守恒定律的特例。

能量守恒定律表明，能量只能从一种形式转变为另一种形式，而不能凭空产生或消灭。能量守恒是时间的平移对称（平移不变性）得出的数学结论（见诺特定理）

根据能量守恒定律，流入能量等于流出能量加上内部能量变化。

这个定律是物理学中一个相当基本的准则。根据时间的平移对称性（平移不变性），物理定律（定理）随时成立。

在狭义相对论中，能量守恒定律就是质量和能量守恒定律。质量和能量守恒定律是能量守恒定律的特殊形式。质能公式E=mc描述了质量和能量的对应关系。在经典力学中，质量和能量是相互独立的，但在相对论力学中，能量和质量是物体力学性质两个方面的同一表示。在相对论中，质量被推广到质量-能量。在经典力学中，独立的质量守恒和能量守恒合并成统一的质量守恒和能量守恒定律，充分体现了物质和运动的统一性。

单质量粒子的相对论能量包括其静止质量和动能。如果质量粒子的动能为零（或者在相对静止的参照系中）或者在动量中心系统中有动能的系统的总能量（包括系统内部的动能）与其静态质量或恒定质量有关，其关系就是著名的E=mc。

因此，只要观察者 s参考系没有变，狭义相对论中能量对时间的守恒仍然成立，整个系统的能量不变，不同参考系中观察者测得的能量不同，但每个观察者测得的能量不会随时间变化。不变质量由能量-动量关系定义为所有观测者能观测到的系统质量和能量的最小值，质量不变就会守恒，所有观测者测得的值都一样。

人们根据大量实验证实了能量守恒定律，即不同形式的能量相互转化时，其大小是守恒的。焦耳力学等效热实验是早期确认能量守恒定律，进而在宏观领域建立能量转换与守恒热力学第一定律的著名实验。康普顿效应证实了能量守恒定律在微观世界仍然是正确的，进而逐渐认识到能量守恒定律是由时间平移的不变性决定的，从而使其成为物理学中的普遍定律（参见对称和守恒定律）

应该指出，能量的概念有其适用范围根据广义相对论，能量在一定条件下不能再作为度量。

热力学第一定律的想法最初是由德国物理学家j.迈耶在实验的基础上于1842年提出了它

的。之后，英国物理学家j.焦耳做了大量实验，用各种方法寻找热的力学等效，结果是一致的。换句话说，热和功之间存在一定的换算关系。经过精确的实验测定，得知1卡=4.184焦。1847年，德国科学家h.亥姆霍兹对热力学第一定律进行了严格的数学描述，并明确指出：能量守恒定律是普遍适用于所有自然现象的基本定律之一。到1850年，科学界已经认识到了这一点。

证实能量作为守恒量的存在始于17世纪末，当时g.莱布尼茨观察到地球上的粒子能量的重力场（mv/2+mgh）守恒。焦耳从19世纪40年代就证实了热只是能量的一种形式，这为热力学第一定律奠定了基础。1905年，爱因斯坦将能量与物质的静态质量联系起来，给出了著名的质能关系。为了解释β衰变过程“消失掉”那部分能量，w.泡利提出，一定还有另一种未知粒子。后来E.费米把这种粒子命名为中微子，而那部分“消失掉”能量回来了。

热力学第一定律证实了这一点：任何系统的态函数——都存在单值内能，孤立系统的内能是常数。物体的内能是微观粒子不规则热运动的动能和物体静止时它们之间相互作用的势能之和。内能的宏观定义的实验基础是在相同的初末态之间，系统的绝热功值都相等，与路径无关。可以看出，外界在绝热过程中对系统所做的功，只与系统在初态和终态之间的一个函数的变化有关，与路径无关。这个态函数就是内能。它可以定义为外界通过系统所做的绝热功：U－U=－因为，公式中的负号意味着外功是正功。功的单位是焦耳。在一个纯传热过程中，可以用系统内能的变化来定义热量及其值，即q=u－u，其中系统吸热定义为正（Q大于0）热量的单位也是焦耳。

热和功都是过程量，只有在系统状态变化时才会出现它们的值不仅与流程的初始和最终状态有关，还与流程所经过的路径有关。功和热都是内能变化的量度，表明它们之间应该有某种等价关系历史上，这种当量的数值表示被称为热的机械当量。

热力学第一定律是能量守恒定律对非孤立系统的延伸。这时，能量可以以功W或热q的形式传入或传出系统。

阐述方式：

1.物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所做的功之和。

2. 系统处于绝热态时，功只取决于系统初态和末态的能量，与过程无关。

3. 孤立系统永远节能。

4. 系统绝热循环后做的功为零，所以第一种永动机是不可能的（也就是不消耗能量做功的机械）

5.当两个系统相互作用时，工作具有独特的价值，这种价值可以是积极的、负或零。

在爱因斯坦 根据狭义相对论，能量是四维动量的一个组成部分。这个矢量的每一个分量，在任何封闭系统和任何惯性系中都可以观察到（其中一个是能量，另外三个是动量）会守恒，如果不随时间变化，这个向量的长度也会守恒（闵可夫斯基模长）矢量长度是单个粒子的静态质量，是多质量粒子组成的系统的不变质量（即不变能量）

在量子力学中，量子系统的能量是用一个叫做哈密顿量的自伴算符来描述的，它作用于系统的希尔伯特空间（或是波函数空间）中。如果哈密顿量是一个时不变的算符，那么它的发生概率的度量不会随着系统的变化而随时间变化，所以能量的期望值不会随时间变化。量子场论下的定域性能量守恒可以利用能量-结合诺特定理的动量张量算符。由于量子理论中没有全局时间算符，时间和能量的不确定关系只能在某些特定条件下成立，这与作为量子力学基础的位置和动量的不确定关系的本质不同（见不确定性原理）每个固定时间的能量都是可以精确测量的，不会受到时间和能量不确定关系的影响，所以即使在量子力学中，能量守恒也是一个明确定义的概念。

能量守恒定律是许多物理定律的特征。从数学的角度来看，能量守恒是诺特 s定理。如果物理系统在时间平移中满足连续对称性，它的能量（时间的共轭物理量）守恒。相反，如果一个物理系统在时移上是非对称的，它的能量就不守恒，但如果这个系统与另一个系统交换能量，合成的更大系统不随时间变化，这个更大系统的能量就会守恒。因为任何时变系统都可以放在一个更大的时不变系统中，通过适当地重新定义能量就可以实现能量守恒。对于平直时空中的物理理论，量子力学允许短时间内不守恒（例如正-反粒子对）所以量子力学中不遵守能量守恒。

根据诺特 s定理，能量守恒定律表达了连续对称性与守恒定律的对应关系。守恒定律是物质运动过程中必须遵守的最基本的定律，也成为物理学中最普遍最深刻的概念。比如物理定律不随时间变化，也就是说它们关于时间有某种对称性。诺特 s定理与量子力学有很深的关系，因为它可以区分与海森堡 s测不准原理只有通过运用经典力学的原理（譬如时间和能量）对于时间平移的不变性给出了著名的能量守恒定律。

时空是齐次各向同性的，坐标系原点的平移和坐标轴的旋转是对称变换，构成了一个非齐次的洛伦兹群，也叫庞加莱群。在庞加莱群中，平移发生器对应的物理量是能量-动量矢量。能量、动量和角动量守恒与时空的均匀性和各向同性直接相关，不依赖于物质的具体含量。无论微观还是宏观，粒子还是场，空气运动中的所有物质在均匀各向同性时都服从能量、动量和角动量守恒定律。

焦耳热的力学等效实验是早期证实能量守恒的著名实验。在总能量不变的前提下，固有能量、动能、势能可以相互转化。最典型的例子就是正电子和负电子湮灭成光子过程中的总固有能量（对应于静止质量）转换成光子能量，也就是电磁辐射能量（相应的质量就是光子的动态质量）再比如原子核裂变过程中，一部分固有能量转化为动能。由多种成分组成的复合系统的固有能量（或静质量）是每种成分的固有能量（或静质量）与的相互作用势能之和。比如稳定原子核的静止质量比组成它的原子核多（质子和中子）静止质量之和很小，两者之差称为质量亏损，对应的能量就是原子核的结合能（核子间相互作用的势能）核能是核反应过程中释放的原子核结合能，是质能关系的直接证据。

能量和动量守恒定律（角动量）守恒定律成功应用的最典型的例子是在基本粒子实验中发现中微子。中微子静止时很小、一种不带电的基本粒子，与物质的相互作用极弱。2]20世纪20年代末30年代初，发现研究了核β衰变后发射的电子（即β射线）它带走的能量小于根据能量守恒定律它应该带走的能量（似乎失去了一些能量）而且原子核的自旋和电子的自旋都不符合量子力学中角动量合成的规律。为了解释这种现象，要么放弃能量和角动量守恒定律，要么假设存在一种不可观测的基本粒子中微子，以保持这些守恒定律成立。物理学家最终选择了后者，并通过其他基本粒子实验证实了中微子（和反中微子）存在，能量和动量守恒定律（角动量）守恒定律在这些过程中仍然有效。

上述狭义相对论能量、质量、动量的概念和定义，以及能量和动量守恒定律（角动量）守恒定律，或者更一般的能量–动量守恒定律（角动量守恒包含在其中），不仅适用于力学现象，也适用于整个扁平时空的物理学

简要概述

能量转化和守恒定律”该提案必须基于三个基础：①正确理解热的本质；2发现物质运动的各种形式之间的转化；③相应的科学理念。到了19世纪，这三个条件都满足了。

19世纪中期发现的能量守恒定律是自然科学中非常重要的定律它的发现是人类对自然科学规律认识逐步积累的必然结果能量守恒定律是把机械能和热能联系起来的定律。

在18世纪末到19世纪中叶这段时间里，人类积累了经验和大量的生产实践、热力学第一定律是建立在科学实验的基础上的。在这个过程中，德国医生j.迈耶和英国物理学家j.焦耳做出了重要贡献，他们每个人通过独立研究得出了相同的结论。1842年，迈耶在他的文章《论无机界的力》中提出了机械能和热相互转化的原理，由空气在恒压和定容下的比热容之差计算出热值的机械当量。1845年出版的《论有机体的运动和新陈代谢》这本书描述了运动形式转变的25种情况。焦耳从1840年开始就对电流的热效应和热的力学等效做了大量的实验（见焦耳热实验的机械当量）于1840—1845年，《论伏打电池所生的热》陆续出版、(《电解时在金属导体和电池组中放出的热》)《论磁电的热效应及热的机械作用》《论由空气的胀缩所产生的温度变化》等文章。通过各种精确的实验，他直接得到了热的力学当量的数值，结果的一致性为能量守恒和转化定律奠定了坚实的实验基础。除了迈耶和焦耳，许多科学家也为热力学第一定律的建立做出了贡献。如1839年M.Segan做了一篇关于热化学中反应热与中间过程无关的定律的文章；1843 3356升.凯尔丁发表了测定热的机械当量的实验结果；1847年H.亥姆霍兹在有心脏的假设下，根据力学定律全面论述了机械运动、热运动和电磁运动“力”相互转化和守恒定律等等。在这个历史时期，各国科学家能够独立发现能量守恒和转化的规律，是由当时的生产条件决定的。从18世纪早期到18世纪下半叶，蒸汽机的制造、英国的改良和炼铁、广泛应用于纺织工业和热机的效率、机器中摩擦生热的研究极大地促进了人们对摩擦生热的认识对能量转换定律的理解

发现经过

1798年，C·伦福德向英国皇家学会提交了一份从炮管实验中获得的热运动理论的实验报告。1800年，D·大卫 美国通过在真空中摩擦冰块来融化冰块的实验支持伦福德 的报告。1801年，T·《论光和色的理论》杨说光和热具有相同的性质，并强调热是一种运动。此后，热运动理论逐渐取代了热量理论。

1819世纪之交，各种自然现象之间的相互转化被陆续发现：从热到功的转化和光的化学效应的发现之后，1800年发现了红外线的热效应。电池一发明，就发现了电流的热效应和电解作用。1820年发现电流的磁效应，1831年发现电磁感应现象。10]热电现象发现于1821年，它的逆现象发现于1834年，等等。

在世纪之交，自然被认为是“活力”的思想是德国“自然哲学”的主要观点。这种哲学把整个宇宙看作是某种根本力量造成的历史发展的产物。当时，这种哲学在德国和一些西欧国家占主导地位。

卡诺是第一个提出热能转换的人，他认为：热只不过是一种动力，或者仅仅是一种运动形式。热是一种运动。对于一小部分物体来说，如果动力被破坏，那么同时，它也必然会产生与破坏的动力严格成正比的热量。相反，热量消失的地方，肯定会发电。因此，可以建立这样一个命题：力量的大小在本质上是不变的更准确地说，力量的总量既不能产生，也不能消灭。同时给出了热的机械当量的粗略值。

卡诺 直到他死后46年，也就是1878年，他的思想才受到重视。1842年以前，德国的迈尔是第一个学习“自然哲学”以推测的方式出发“原因等于结果”的因果链释放出25种力的转化形式。1845年，他还利用了定压比热容和定容比热容的差异：C－C=R，计算出的热功当量值为1卡=365 g·m。

1843年，英国实验物理学家焦耳做了更多的工作，确定了更精确的当量值。1850年，公布的结果是：要产生一磅水（真空称重，温度在55到60之间）增加1华氏度的热量，下降1英尺需要772磅的机械功。焦耳的工作，为“力的守恒”该原理奠定了坚实的实验基础。

德国科学家亥姆霍兹在1847年出版了他的书《论力的守恒》。提出一切自然现象都应该用粒子与中心力相互作用的运动来解释。这证明了活力和张力之和对中心力是保守的结论。此外，对热现象进行了讨论、电现象、化学现象和机械力之间的关系，并指出“力的守恒”将原理应用于生物体的可能性。因为亥姆霍兹 s的讨论方式是非常物理的，其影响大于迈耶和焦耳。

定律的发现者仍然称能量为“力”而且定律的表述还不够准确，但本质上已经发现了能量转化和守恒定律。比较这两个表达，可以看出：力的守恒”比“永动机不能造成”要深刻得多。力的守恒”当人们认识到这一点时，它包括了所有形式的物质运动；同时，在一定的哲学思想指导下（迈耳）以实验为基础（焦耳），用公理化结构（亥姆霍兹）建立的理论。

力的守恒”尽管该原理具有焦耳和安培之间的关系s热的力学等效和电热等效，以及亥姆霍兹推导出的各种关系，它们都是独立的，没有用一个统一的解析式来表示。

解析表述

法律的解析表达，只适用于“热量”功”能量”和“内能”这些概念应该准确定义。在18世纪，“热量”慨念是热质的量。1829年，J·在研究蒸汽机的过程中，庞斯列明确地将功定义为力和距离的乘积。而“能量”概念是1717，j·讨论虚位移时使用的伯努利。1805年，T·年轻的称为原力能量，从而定义年轻和s模量。但是它的定义从来没有被人们接受过。一批有识之士认识到这部法律的重大意义，并为完善这部法律做了卓有成效的工作。其中最著名的是英国的w·汤慕孙与德国r·克劳修斯。正是他们在前人的基础上提出了热力学第一第二定律，建立了热力学理论体系的大厦。

1850年，克劳修斯发表了论文《论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定律》。指出卡诺 s定理是正确的，用热运动解释并证明。我认为一个原则是“在所有由热产生功的情况下，一个热量的消耗与产生的功成正比，反过来，这个热量可以通过消耗相同量的功来产生。加上一个原理即“在没有任何力的消耗或其他变化的情况下，任何量的热从冷的物体传递到热的物体，这与热电元件的行为相反。来论证。把热看作一个状态量。

W·汤姆孙

克劳修斯最终得到了热力学第一定律的解析公式：

dQ=dU-dW

这时，能量转化和守恒定律与热力学第二定律的熵表达式一起构成了热力学理论体系的基础。

1853年，汤慕孙重新定义了能量的定义：把处于给定状态的物质系统的能量表示为：当它以任何方式从这个给定的状态过渡到任何一个固定的零状态时，由机械功单位测量的系统外产生的各种作用的总和。称状态函数为u内能。人们开始把牛顿 s“力”描述物质运动的特征“能量”区分它们并广泛使用它们。在此基础上，苏格兰物理学家w·兰金把“力的守恒”原理改称为“能量守恒”原理。

自1854年以来，克劳修斯做了大量工作，试图找到一种可以接受的证明方法来解释这一原理。1860年，能量守恒原理被普遍认可。

能量既不能被创造也不能被消灭。能量守恒是物质运动的普遍规律之一。物质运动的形式多种多样，可以相互转化。8]转化前后，作为物质运动量度的能量之和保持不变。能量守恒的概念早就被力学领域的物理学家证明了。但是，这个守恒概念推广到热能，用了两三百年。历史上对热能有过各种各样的误解。从18世纪到19世纪中期，自然科学在很长一段时间内被热和质量理论所支配。这种片面的理论认为，物质中存在一种流体，叫做热质。温差引起的热传递被认为是从高温物体流向低温物体的热质量；摩擦生热被认为是热质量释放的结果。这个理论与许多实验事实相矛盾。当兰福德在1798年开发枪管时，人们观察到产生的热量与通过钻孔和研磨去除的金属碎屑不成比例此外，如果用钝钻继续钻孔和研磨，释放的热量几乎是无限的，这表明热质量不可能是一种物质。以后又经过H.戴维、J.迈尔、H.亥姆霍兹等人的工作，尤其是在1840年—1848年间J.焦耳 通过热的力学等效实验，人们逐渐认识到热质量是不存在的。热量的传递或变换和机械功电功的传递或变换一样，也是一种能量的传递或变换，在传递或变换过程中总能量是恒定的。这样，能量守恒在普遍的基础上得到了证实

1860年，能量守恒定律“它很快成为所有自然科学的基石。尤其是物理学，每一个新理论都要先检验是否符合能量守恒原理。然而，该原理的发现者只注重从量的守恒中概括规律，而不强调运动的变换。

直到20世纪初，热力学中一个重要的基本概念——仍然遵循着18世纪的定义，这个定义是基于热量论的，热力学大厦的基石中仍然存在着不稳定的一块。因此，1909年，c·卡拉格重新定义了内部能量：任何物体或物体系统在平衡态都有一个状态函数U，称为其内能当物体经历一个从第一状态到第二状态的绝热过程时，其内能的增加等于外界在此过程中所做的功W。

U－U=W

这样定义的内能与热无关，只与机械能和电磁能有关。这时，热力学第一定律、热力学第二定律和整个热力学理论抛弃了热量论。

否定永动机

据说永动机的概念起源于印度，12世纪传入欧洲。据记载欧洲最早、最著名的永动机之一是由法国人V在13世纪设计的·亨内考提出来的。随后，研究和发明永动机的人不断涌现，虽然很多学者指出永动机是不可能的。

文艺复兴时期的意大利学者达达·芬奇曾经花了很大的精力研究永动机，最后得出结论永动机是造不出来的。同时代的J·卡丹（它因第一个给出解三次方程的根而闻名），也认为永动机是不可能的。第一种永动机违反能量守恒定律，第二种违反热力学第二定律。

随着人们认识到永动机的不可能性，一些国家的专利局决定不受理发明永动机的专利申请。

经验性表述

13世纪，人们开始萌发制造永动机的愿望。5]在15世纪，伟大的艺术家、科学家和工程师·芬奇致力于永动机的研究。1475年，达·芬奇认真总结了历史上失败的教训，得出了一个重要结论：永动机是不可能引起的。他还意识到机器之所以能够 永远不动与摩擦力有关。因此对摩擦进行了深入有效的研究。但是达·芬奇从未对阻碍机器运动的摩擦做出科学解释，他现在仍然可以 我不理解摩擦（机械运动）相变与热现象的本质关系。

此后，一些学者得出结论“永动机是不可能引起的”结论，并把它作为科学研究的重要原则。荷兰数学力学家s·斯台文，在1586年，用这个原则通过了权利“斯台文链”力的平行四边形法则首先来源于对力的分析。伽利略在证明惯性定律时也应用了这个原理。

1673年，C·惠更斯在他的书《摆式时钟》中反映了这一观点。应用伽利略和s关于斜面运动的研究成果转化为曲线运动，并得出结论：在重力作用下，物体绕水平轴旋转时，其质心不会上升到下落时的高度以上。因此得出结论，用机械方法制造永动机是不可能的。

历史上运用“永动机是不可能制造出来的”这一原理在法国青年科学家卡诺的科学研究中取得了辉煌的成就。

卡诺是在1824年引进的“卡诺定理”，原则只能在机械运动中和“热质”在流动中的应用不是现代意义上的能量转化和守恒定律，而是对机械运动中能量守恒的经验总结，是定律的原始形式。

第一种永动机是不可能造成的”这是热力学第一定律的另一种表达。在第一定律成立之前，很多人幻想制造出一种不消耗能量就能做功的机器，被称为第一种永动机。制造这种永动机的努力的彻底失败，从反面促进了能量守恒和转化定律的建立。

热力机械

1798年，美国人c·兰福德在用镗刀钻炮管青铜毛坯时发现金属毛坯是热的。兰福德注意到，只要无聊不 不要停下来，金属继续升温。结论是镗刀的机械运动转化为热，所以热是运动的一种形式，而不是之前认为的物质。兰福德试图计算一定量的机械能所产生的热量，并首次给出了热值的大致机械当量。半个世纪后，焦耳提供了正确的数值。

1712年，英国t·纽科门发明了大气蒸汽机。这台机器有一个气缸和一个活塞工作时，蒸汽首先进入汽缸此时，汽缸停止供应蒸汽，水进入汽缸当蒸汽凝结成水时，气缸内的气压迅速降低，水会被吸上来。然后蒸汽被引入汽缸，进入下一个循环。起初，这种蒸汽机每分钟来回十次左右，可以自动工作，极大地方便了矿井中的抽水工作。

J·瓦特在18世纪下半叶改进了蒸汽机。6]其中，有两个最重要的改进一个是发明冷凝器提高蒸汽机效率，一个是发明离心调速器自由控制蒸汽机转速。瓦特改进蒸汽机后，它被广泛应用于工业。

温度计的发明

一个精确的热理论应该从温度计的制造开始。17世纪，G·伽利略和其他人开始制造温度计。由于采用的温标使用不便，后人很少使用。

1714年，实用温标是德国物理学家d·沃伦海开始用水银作为温度计，并不断改进它1717年，它确定了华氏温标。科学家已经正式确定华氏温标是：假设水的沸点是212度，水的冰点是32度。这一规定是为了避免对通常的温度取负值。

从1742年到1743年，瑞典天文学家a·谢修斯发明了摄氏温标，标准状态下水的冰点是零度，水的沸点是100度。1948年，国际度量衡会议将摄氏度定为国际标准。

热功当量实验

J·焦耳在1835年遇到了曼彻斯特大学的教授道尔顿。焦耳 的数学知识有限，研究主要靠测量。1840年对带电导体进行多次测量后，发现电能可以转化为热能，得出了一个定律：电导体产生的热量和电流强度的平方、导体的电阻与通过时间成正比。

焦耳在英国学术会议上宣布，他继续探索各种运动形式之间的能量守恒和转化的关系：自然界的能量可以 在消耗机械能的地方，总能获得相当多的热量热只是能量的一种形式。

焦耳不断改进测量方法，提高测量精度，最终得出“热功当量”的物理常数是423.9 千克米/Kcal，这个常数的精确值是418.4千克米/千卡。国际单位制中热量的单位是焦耳，1卡=4.184焦耳。12]13]

热量的发现

18世纪50年代，英国科学家j·布莱克将相同重量的32华氏度的冰块与172华氏度的水相混合结果发现平均温度是32华氏度而不是102华氏度，结果是所有的冰块都融化成了水。布莱克得出结论：冰融化时需要吸收大量的热量，使冰变成水，但不会导致温度升高。他猜测冰融化时吸收的热量是肯定的。大量进一步的实验使布莱克发现各种物质都在发生状态变化（熔解、凝固、汽化、凝结）有这种效果。

布莱克用一种简单直观的方法来测量水汽化所需的热量。布莱克测量出融化一定量的冰所需的热量等于在华氏140度加热同样重量的水所需的热量（相当于加热77.8℃所需的热量）正确的数值是143华氏度（相当于80℃）

基于实验事实，布莱克开始认识到热和温度是两个不同的概念，并引入了“潜热”热量）概念。

1780年，法国科学家a·拉瓦锡与P·拉普拉斯提出了一种正确测量物质热容量的方法。由于热的准确性，1822年，法国学者j·傅立叶发表了一篇总结性的作品《热的解析理论》。

活力与死力之争

1644年R·笛卡尔在《哲学原理》讨论碰撞问题的时候引用过

引入动量的概念来度量运动。1687年，牛顿用《自然哲学的数学原理》中动量的变化测力。3]与此不同的是G·在1686年的一篇论文中，莱布尼茨抨击笛卡尔，主张用质量乘以速度的平方来衡量运动，莱布尼茨称之为活力。牛顿 用动量来衡量的力叫做死力。莱布尼茨 的命题与惠更斯 碰撞研究的结论是“当两个物体相互碰撞时，它们的质量和速度平方的乘积之和在碰撞前后保持不变。

自从莱布尼茨挑起争论以来，笛卡尔和莱布尼茨之间就一直存在争论。这场争论持续了近半个世纪，众多学者参与其中，各有各的实验证据。1743年，法国学者j·D 阿朗贝尔在《论动力学》中说：对于衡量一个力来说，用它来给一个受它影响一定距离的物体以活力，或者用它来给一个受它影响一定时间的物体以动量，也是合理的。D 阿朗贝尔揭示了生命力是根据作用距离来衡量力的大小，而动量是根据作用时间来衡量力的大小。争论最终解决了。活力被普遍认为是一个正式的机械术语。

虽然生命力的概念被接受，但生命力与力量的关系并不明确。1807年，英国学者t·杨提出了能量的概念，1831年法国学者g·科里奥利引入了力做功的概念，表明力做功转化为物体的动能，即自然界中机械能守恒。

迈尔的发现

迈尔

J·迈尔（1814－1878）是德国物理学家。

1840年去爪哇岛的航行中，出于对动物体温的考虑，我对物理学产生了兴趣。当他为生病的水手放血治疗时（当时流行的疗法），发现静脉里的血是明亮的。他认为血液在热带是鲜红色的，而身体不是它不需要燃烧更多的氧气来保持体温，就像在温带一样。这一现象促使迈耶思考这样一个事实体内的食物转化为热量，身体可以做功。得出结论，热和功是可以相互转化的。

他注意到许多人 s当时在永动机上的实验都以失败告终，这让他猜测“机械功不可能无中生有”

1841年9月12日，他在给朋友的信中首次提到了热的机械当量：解决以下问题仍然极其重要：某一重物（例如100磅）必须举到地面多高，才能使这个高度对应的运动量和放下重物所获得的运动量正好等于把一磅0℃的冰转化为0℃的水

所必要的热量。

1840年，迈耶开始思考人身上的热量从何而来？心脏的运动可以 不会产生这么多的热量，而且它能 不要保持体温。体温是由整个身体维持的有血有肉，来自食物，最终来自植物，植物通过吸收太阳的光和热而生长。最后，它归结为能量是如何转化的（转移）

迈耶写了一篇文章《论无机界的力》，测得热的机械当量为365kgm/千卡。论文提交至《物理年鉴》，但未发表。不仅学术上不被理解，生活上也经历了重大打击。1858年，迈耶被世人重新发现，并被瑞士巴塞尔自然科学院授予荣誉博士。获得了皇家学会的科普利奖章、蒂宾根大学荣誉哲学博士、意大利巴伐利亚和都灵科学院院士头衔。

迈耶是第一个进行热的力学等效实验的学者，尽管他的实验比焦耳 南。他首先表述了能量守恒定律：正是这个相反的证明显示了我的定律的绝对真理：也就是科学界公认的定理：永动机的设计理论上是绝对不可能的。

迈耶证明了太阳是地球上所有生物和非生物能量的最终来源。

后来，亥姆霍兹和焦耳 的论文相继发表，人们把能量守恒定律的发明者归功于亥姆霍兹和焦耳，但不承认迈耶。

1858年，亥姆霍兹阅读了迈尔 s 1852论文并承认迈耶 他的思想早于他的有广泛影响的论文。克劳修斯也认为迈耶是守恒定律的发现者。1862年，廷德尔系统地介绍了迈耶 他在伦敦皇家学会工作，他的成就最终得到了学会的认可。

亥姆霍兹的发现

1847年7月23日·亥姆霍兹（1821—1894）他把一份题为《论力的守恒》的报告交给物理协会，交给《物理学编年史》的编辑没想到，它遭遇了和迈耶 的手稿，编辑拒绝发表，因为没有实验事实。

他在一家著名的出版社以小册子的形式出版了这篇论文。文章的结论与焦耳 这个实验很快就被称为“自然的最高和最重要的原则”由于著名出版社的出版，亥姆霍兹和迈耶的命运完全不同。英国学者开尔文采用了t·杨提出的能量概念采用了“势能”代替“弹力”，以“动能”代替“活力”力学中延续了近200年的模糊概念被改变了。

能量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律，是人们认识和利用自然的有力武器。

1.雅芳伽德罗常数NA=6.02×1023/mol;分子直径是10个数量级-10米

2.油膜法测量分子直径d=V/s {V:单分子油膜的体积(m3)，S:油膜表面积(m)2｝

3.分子动理论内容：物质是由大量分子组成的；大量分子做随机热运动；分子之间有相互作用。

4.分子间的引力和斥力(1)R10r0，F引=f斥力≈0，F分子力≈0，E分子势能≈0

5.热力学第一定律w q=δ u{功和热传递是改变物体内能的两种方式，它们在效果上是等效的)，W:外界对物体所做的正功(J)Q:物体吸收的热量(J)，δδu :增加了内能(J)，涉及第一种永动机不能制造〔见第二册P40〕

6.热力学第二定律

克氏表述：不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化(热传导的方向性)

开氏表述：不可能从单一热源吸收热量，然后全部用来做功而不引起其他变化(机械能和内能转化的方向性)到了第二种永动机，就做不出来了〔见第二册P44〕

7.热力学第三定律：热力学零度是无法达到的{宇宙温度下限：273.15摄氏度(热力学零度)

注:

1)布朗粒子不是分子布朗粒子越小，布朗运动越明显，温度越高，布朗运动越剧烈;

2)温度是分子平均动能的标志;

3)分子间的引力和斥力同时存在，并随着分子间距离的增大而减小，但斥力减小的速度比引力快;

4)当分子力做正功时，分子势能减小，在r0，F引力=F斥力，分子势能最小;

5)气体膨胀时，外界对气体做负功W0;随着温度的升高，内能增加δU0;吸收热量，Q0

6)物体的内能是指分子的全部动能和物体的分子势能之和对于理想气体，分子间力为零，分子势能为零;

7)R0是平衡时分子间的距离。

能源的利用和转化也遵循能量守恒定律。现代社会对能源的需求日益增长，因此必须合理利用能源资源，并尽可能降低能量的浪费。在能源转化的过程中，虽然会有一些能量转化为无用的热量或其他形式的能量损失，但总能量仍然是守恒的。

能量守恒定律不仅对自然界的运行起着指导作用，也对科学研究和技术发展具有重要意义。在物理学、化学、工程学等学科中，能量守恒定律经常被应用于解决问题和设计系统。只有遵循能量守恒定律，才能确保能够合理利用能源，推动社会的可持续发展。

总之能量守恒定律是自然界中的一条基本规律，它揭示了能量的转化和守恒原理。无论是在科学研究、日常生活还是能源利用中，都需要遵循能量守恒定律，以实现能量的有效转化和利用。只有这样，才能保护环境、促进可持续发展，为人类创造一个更加美好的未来。