能量的转化与守恒定律
能量的转化与守恒定律
能量的转化与守恒定律是物理学中的重要定律，它揭示了能量在不同形式之间的转化规律。本文将通过焦耳的实验研究，详细介绍热力学第一定律和能量守恒定律的建立过程。
焦耳的实验研究
1840年至1879年间，英国物理学家焦耳通过摩擦生热、压缩空气以及电流的热效应等实验，研究了功与热量的关系。其中最著名的一个实验装置如图12-5所示。在这个与外界隔热良好的量热器中，重物P与P'下落时带动叶片转动，通过摩擦使水温升高。焦耳通过多次实验证明，重力对P与P'所做的功总等于水和容器系统增加的内能。
热力学第一定律
在绝热过程中，系统内能的变化量ΔU等于外界对系统所做的功W，即ΔU = W。一般而言，当系统与外界仅有热传递时，热量是系统内能变化的量度，即ΔU = Q。因此，在系统与外界同时发生做功和热传递的过程中，系统内能的变化量ΔU等于外界对系统所做的功W与系统从外界吸收的热量Q的代数和，这就是热力学第一定律，用公式表示为：
[\color{#837D23}\Delta U = W + Q]
能量守恒定律
焦耳通过实验发现，在机械能和内能转化的过程中，总能量是守恒的。不仅如此，他还证明在电能和内能的转化过程中，总能量也是守恒的。大量事实证明：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，从物体的一部分转移到其他部分，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律。
能量守恒定律的发现使人们认识到，任何机器或装置只能使能量从一种形式转化成其他形式，而不能无中生有地创造能量。这为人们开发和利用能源指明了方向。为了有效地利用能量，重要的是发现能量转化的新途径，提高能量的转化效率。
能量守恒定律的历史意义
能量守恒定律的建立是众多科学家研究的结果。1842年，德国的青年医生迈耶写成了他的第一篇关于能量守恒定律的论文；1847年，英国的焦耳、德国的亥姆霍兹分别发表了有关能量守恒定律的讲演或论文。不过，焦耳被认为是最先用实验确立能量守恒定律的人，但焦耳和亥姆霍兹也承认迈耶发现能量守恒定律的优先权。
能量守恒定律是人类经过长期探索而确立的、普遍适用的基本规律。恩格斯曾经把这一定律称为“伟大的运动定律”，并认为它的发现是19世纪自然科学的三大发现之一。能量守恒定律把不同的自然科学技术领域联系了起来，成为人们认识自然、利用自然的有力武器。