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------能量守恒定律的內(nèi)容
能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變。能量守恒定律如今被人們普遍認(rèn)同，但是并沒有嚴(yán)格證明。
(2)不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化：“摩擦生熱是通過克服摩擦 做功將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；水壺中的水沸騰時水蒸氣對壺蓋做功將壺蓋頂起，表明內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能；電流通過電熱絲做功可將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等等”。這些實例說明了不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，且是通過做功來完成的這一轉(zhuǎn)化過程。 (3)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等．某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。
------能量守恒定律的表達形式
保守力學(xué)系統(tǒng)：在只有保守力做功的情況下，系統(tǒng)能量表現(xiàn)為機械能（ 動能和 位能），能量守恒具體表達為機械能守恒定律。 熱力學(xué)系統(tǒng)：能量表達為內(nèi)能，熱量和 功，能量守恒的表達形式是熱力學(xué)第一定律。 相對論性力學(xué)：在相對論里，質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)變。計及質(zhì)量改變帶來能量變化，能量守恒定律依然成立。歷史上也稱這種情況下的能量守恒定律為質(zhì)能守恒定律。
總的流進系統(tǒng)的能量必等于總的從系統(tǒng)中流出的能量加上系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化,能量能夠轉(zhuǎn)換，從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種形態(tài)。
系統(tǒng)中儲存能量的增加等于進入系統(tǒng)的能量減去離開系統(tǒng)的能量。
------能量守恒定律的重要意義
能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。從物理、化學(xué)到地質(zhì)、生物，大到宇宙天體。小到原子核內(nèi)部，只要有能量轉(zhuǎn)化，就一定服從能量守恒的規(guī)律。從日常生活到科學(xué)研究、工程技術(shù)，這一規(guī)律都發(fā)揮著重要的作用。人類對各種能量，如煤、石油等燃料以及水能、風(fēng)能、核能等的利用，都是通過能量轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)的。能量守恒定律是人們認(rèn)識自然和利用自然的有力武器。
小醫(yī)生與啤酒匠發(fā)現(xiàn)科學(xué)新理
——能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)
能量守恒和能量轉(zhuǎn)化定律與細(xì)胞學(xué)說，進化論合稱19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)。而其中能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)，卻是和一個“瘋子”醫(yī)生聯(lián)系起來的。
這個被稱為“瘋子”的醫(yī)生名叫邁爾（1814~1878），德國漢堡人，1840年開始在漢堡獨立行醫(yī)。他對萬事總要問個為什么，而且必親自觀察，研究，實驗。1840年2月22日，他作為一名隨船醫(yī)生跟著一支船隊來到印度尼西亞。一日，船隊在加爾各達登陸，船員因水土不服都生起病來，于是邁爾依老辦法給船員們放血治療。在德國，醫(yī)治這種病時只需在病人靜脈血管上扎一針，就會放出一股黑紅的血來，可是在這里，從靜脈里流出的仍然是鮮紅的血。于是，邁爾開始思考：人的血液所以是紅的是因為里面含有氧，氧在人體內(nèi)燃燒產(chǎn)生熱量，維持人的體溫。這里天氣炎熱，人要維持體溫不需要燃燒那么多氧了，所以靜脈里的血仍然是鮮紅的。那么，人身上的熱量到底是從哪來的？頂多500克的心臟，它的運動根本無法產(chǎn)生如此多的熱，無法光靠它維持人的體溫。那體溫是靠全身血肉維持的了，而這又靠人吃的食物而來，不論吃肉吃菜，都一定是由植物而來，植物是靠太陽的光熱而生長的。太陽的光熱呢？太陽如果是一塊煤，那么它能燒4600年，這當(dāng)然不可能，那一定是別的原因了，是我們未知的能量了。他大膽地推出，太陽中心約2750萬度（現(xiàn)在我們知道是1500萬度）。邁爾越想越多，最后歸結(jié)到一點：能量如何轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)移）？
他一回到漢堡就寫了一篇《論無機界的力》，并用自己的方法測得熱功當(dāng)量為365千克米/千卡。他將論文投到《物理年鑒》，卻得不到發(fā)表，只好發(fā)表在一本名不見經(jīng)傳的醫(yī)學(xué)雜志上。他到處演說：“你們看，太陽揮灑著光與熱，地球上的植物吸收了它們，并生出化學(xué)物質(zhì)……”可是即使物理學(xué)家們也無法相信他的話，很不尊敬地稱他為“瘋子”，而邁爾的家人也懷疑他瘋了，竟要請醫(yī)生來醫(yī)治他。他因不被人理解，終于跳樓自殺了。
和邁爾同時期研究能量守恒的還有一個英國人——焦耳（1818~1889），他自幼在道爾頓門下學(xué)習(xí)化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理，他一邊經(jīng)營父親留下的啤酒廠，一邊搞科學(xué)研究。1840年，他發(fā)現(xiàn)將通電的金屬絲放入水中，水會發(fā)熱，通過精密的測試，他發(fā)現(xiàn)：通電導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量與電流強度的平方，導(dǎo)體的電阻和通電時間成正比。這就是焦耳定律。1841年10月，他的論文在《哲學(xué)雜志》上刊出。隨后，他又發(fā)現(xiàn)無論化學(xué)能，電能所產(chǎn)生的熱都相當(dāng)于一定功，即460千克米/千卡。1845年，他帶上自己的實驗儀器及報告，參加在劍橋舉行的學(xué)術(shù)會議。他當(dāng)場做完實驗，并宣布：自然界的力（能）是不能毀滅的，哪里消耗了機械力（能），總得到相當(dāng)?shù)臒?。可臺下那些赫赫有名的大科學(xué)家對這種新理論都搖頭，連法拉第也說：“這不太可能吧。”更有一個叫威廉·湯姆孫（1824~1907）的數(shù)學(xué)教授，他8歲隨父親去大學(xué)聽課，10歲正式考入該大學(xué)，乃是一位奇才，而今天聽到一個啤酒匠在這里亂嚷一些奇怪的理論，就非常不禮貌地當(dāng)場退出會場。
焦耳不把人們的不理解放在心上，他回家繼續(xù)做著實驗，這樣一直做了40年，他把熱功當(dāng)量精確到了423.9千克米/千卡。1847年，他帶著自己新設(shè)計的實驗又來到英國科學(xué)協(xié)會的會議現(xiàn)場。在他極力懇求下，會議主席才給他很少的時間讓他只做實驗，不做報告。焦耳一邊當(dāng)眾演示他的新實驗，一邊解釋：“你們看，機械能是可以定量地轉(zhuǎn)化為熱的，反之一千卡的熱也可以轉(zhuǎn)化為423.9千克米的功……”突然，臺下有人大叫道：“胡說，熱是一種物質(zhì)，是熱素，他與功毫無關(guān)系”這人正是湯姆孫。焦耳冷靜地回答到：“熱不能做功，那蒸汽機的活塞為什么會動？能量要是不守恒，永動機為什么總也造不成？”焦耳平淡的幾句話頓時使全場鴉雀無聲。臺下的教授們不由得認(rèn)真思考起來，有的對焦耳的儀器左看右看，有的就開始爭論起來。
湯姆孫碰了釘子后，也開始思考，他自己開始做試驗，找資料，沒想到竟發(fā)現(xiàn)了邁爾幾年前發(fā)表的那篇文章，其思想與焦耳的完全一致！他帶上自己的試驗成果和邁爾的論文去找焦耳，他抱定負(fù)荊請罪的決心，要請焦耳共同探討這個發(fā)現(xiàn)。
在啤酒廠里湯姆孫見到了焦耳，看著焦耳的試驗室里各種自制的儀器，他深深為焦耳的堅韌不拔而感動。湯姆孫拿出邁爾的論文，說道：“焦耳先生，看來您是對的，我今天是專程來認(rèn)錯的。您看，我是看了這篇論文后，才感到您是對的。”焦耳看到論文，臉上頓時喜色全失：“湯姆孫教授，可惜您再也不能和他討論問題了。這樣一個天才因為不被人理解，已經(jīng)跳樓自殺了，雖然沒摔死，但已經(jīng)神經(jīng)錯亂了。”
湯姆孫低下頭，半天無語。一會兒，他抬起頭，說道：“真的對不起，我這才知道我的罪過。過去，我們這些人給了您多大的壓力呀。請您原諒，一個科學(xué)家在新觀點面前有時也會表現(xiàn)得很無知的。”一切都變得光明了，兩人并肩而坐，開始研究起實驗來。
1853年，兩人終于共同完成能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的精確表述。
能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律有三種表述：永動機不能造成，能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律及熱力學(xué)第一定律。這三種表述在文獻中是這樣敘述的：“熱力學(xué)第一定律就是能量守恒定律。”“根據(jù)能量守恒定律，……所謂永動機是一定造不成的。反過來，由永動機的造不成也可導(dǎo)出能量守恒定律。”這里不難看出，三種表述是完全等價的。但筆者認(rèn)為，這種等價是現(xiàn)代人賦予它們的現(xiàn)代價值，若從歷史發(fā)展的角度來考查就會發(fā)現(xiàn)，三種表述另有它連續(xù)性的一面，但還有差異性的一面。這種差異反映了人類認(rèn)識定律的不同階段。
1定律的經(jīng)驗性表述——永動機是不可能造成的（1475～1824）
很早以前，人類就開始利用自然力為自己服務(wù)，大約到了十三世紀(jì)，開始萌發(fā)了制造永動機的愿望。到了十五世紀(jì)，偉大的藝術(shù)家、科學(xué)家和工程師達·芬奇（Leonard·do·Vinci 1452～1519），也投入了永動機的研究工作。他曾設(shè)計過一臺非常巧妙的水動機，但造出來后它并沒永動下去。1475年，達·芬奇認(rèn)真總結(jié)了歷史上的和自己的失敗教訓(xùn)，得出了一個重要結(jié)論：“永動機是不可能造成的。”在工作中他還認(rèn)識到，機器之所以不能永動下去，應(yīng)與摩擦有關(guān)。于是，他對摩擦進行了深入而有成效的研究。但是，達·芬奇始終沒有，也不可能對摩擦為什么會阻礙機器運動作出科學(xué)解釋，即他不可能意識到摩擦（機械運動）與熱現(xiàn)象之間轉(zhuǎn)化的本質(zhì)聯(lián)系。
此后，雖然人們還是致力于永動機的研制，但也有一部分科學(xué)工作者相繼得出了“永動機是不可能造成的”結(jié)論，并把它作為一條重要原理用于科學(xué)研究之中。荷蘭的數(shù)學(xué)力學(xué)家斯臺文（SimonStevin 1548～1620），于1586年運用這一原理通過對“斯臺文鏈”的分析，率先引出了力的平行四邊形定則。伽俐略在論證慣性定律時也應(yīng)用過這一原理。
盡管原理的運用已取得了如此顯著的成績，但人們研制永動機的熱情不減?；莞梗–·Huygens1629～1695）
在他1673年出版的《擺式時鐘》一書中就反映了這種觀點。書中，他把伽俐略關(guān)于斜面運動的研究成果運用于曲線運動，從而得出結(jié)論：在重力作用下，物體繞水平軸轉(zhuǎn)動時，其質(zhì)心不會上升到它下落時的高度之上。因而，他得出用力學(xué)方法不可能制成永動機的結(jié)論；但他卻認(rèn)為用磁石大概還是能造出永動機來的。針對這種情況，1775年，巴黎科學(xué)院不得不宣布：不再受理關(guān)于永動機的發(fā)明。
歷史上，運用“永動機是不可能制成”的這一原理在科研上取得最輝煌成就的是法國青年科學(xué)家卡諾（sadi Carnot 1796～1832）。1824年，他將該原理與熱質(zhì)說結(jié)合推出了著名的“ 卡諾定理”。定理為提高熱機效率指明了方向，也為熱力學(xué)第二定律的提出奠定了基礎(chǔ)。但這里要特別強調(diào)的是，卡諾雖然將永動機不能造成的原理運用于熱機，但他的思想方法還是“機械的”。他在論證時將熱從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩吹牧鲃油畯母咛幭虻吞幜鲃宇惐?，認(rèn)為熱推動熱機作功就像水推動水輪機作功一樣，水和熱在流動中并無任何損失。 可見，從1475年達·芬奇提出“永動機是不可能造成的”起到1824年卡諾推出“卡諾定理”止，原理只能在機械運動和“熱質(zhì)”流動中運用，它遠不是現(xiàn)代意義上的能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，它只能是機械運動中的能量守恒的經(jīng)驗總結(jié)，是定律的原始形態(tài)。
1891年，亥姆霍茲（H·Helmloltz1821～1894）400)
在回顧他研究力的守恒律的起因時說：“如果永動機是不可能的話，那么在自然條件下的不同的力之間應(yīng)該存在什么樣的關(guān)系呢？而且，這些關(guān)系實際上是否真正存在呢？”可見，“永動機是不能造成的”還很膚淺，要認(rèn)識它的深刻的內(nèi)涵，還須人們付出艱苦的勞動。
2定律的初期表述——力的守恒（1824～1850）
“能量的轉(zhuǎn)比和守恒定律”的提出必須建立在134三個基礎(chǔ)之上：對熱的本質(zhì)的正確認(rèn)識；對物質(zhì)運動的各種形式之間的轉(zhuǎn)化的發(fā)現(xiàn)；相應(yīng)的科學(xué)思想。到十九世紀(jì)，這三個條件都具備了。
1798年，倫福特（C· Rumford 1753～1814）向英國皇家學(xué)會提交了由炮筒實驗得出的熱的運動說的實驗報告。1800年，戴維（D·H·Davy 1778～1829）
用真空中摩擦冰塊使之溶化的實驗支持了倫福特的報告。1801年，托馬斯·楊（ThomasYoung 1773～1829）在《論光和色的理論》中，稱光和熱有相同的性質(zhì)，強調(diào)了熱是一種運動。從此，熱的運動說開始逐步取代熱質(zhì)說。
十八世紀(jì)與十九世紀(jì)之交，各種自然現(xiàn)象之間的相互轉(zhuǎn)化又相繼發(fā)現(xiàn)：在熱向功的轉(zhuǎn)化和光的化學(xué)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后，1800年發(fā)現(xiàn)了紅外線的熱效應(yīng)。電池剛發(fā)明，就發(fā)現(xiàn)了電流的熱效應(yīng)和電解現(xiàn)象。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。1821年發(fā)現(xiàn)熱電現(xiàn)象，1834年發(fā)現(xiàn)其逆現(xiàn)象。等等。
世紀(jì)之交，把自然看成是“活力”的思想在德國發(fā)展成為“自然哲學(xué)”。這種哲學(xué)把整個宇宙視為某種根源性的力的發(fā)現(xiàn)而引起的歷史發(fā)展的產(chǎn)物。由這種觀點看來，一切自然力都可以看作是一種東西。當(dāng)時，這種哲學(xué)思想在德國和西歐一些國家占有支配地位。
這時，力的守恒原理的提出就勢在必行了。
歷史上，最早提出熱功轉(zhuǎn)換的是卡諾。他認(rèn)為：“熱無非是一種動力，或者索性是轉(zhuǎn)換形式的運動。熱是一種運動。對物體的小部份來說，假如發(fā)生了動力的消滅，那么與此同時，必然產(chǎn)生與消滅的動力量嚴(yán)格成正比的熱量。相反地，在熱消滅之處，就一定產(chǎn)生動力。因此可以建立這樣的命題：動力的量在自然界中是不變的，更確切地說，動力的量既不能產(chǎn)生，也不能消滅。”同時他還給出了熱功當(dāng)量的粗略值。
可惜，卡諾的這一思想是在他死了46年以后的1878年才被人們發(fā)現(xiàn)的。而這之前的1842年，德國的邁耳（J·R·Mayer 1814～1878）400)
最先發(fā)表了比較全面的《力的守恒》的論文《論無機界的力》。文中他從“自然哲學(xué)”出發(fā)，以思辯的方式，由“原因等于結(jié)果”的因果鏈演釋出二十五種力的轉(zhuǎn)化形式。1845年，他還用定壓比熱容與定容比熱容之差：Cp-Cv=R，計算出熱功當(dāng)量值為1卡等于365g·m。
1843年，英國實驗物理學(xué)家焦耳（J·P·Joule 1818～1889）400)this.style.width=400;">
在《哲學(xué)雜志》上發(fā)表了他測量熱功當(dāng)量的實驗報告。此后，他還進行了更多更細(xì)的工作，測定了更精確的當(dāng)量值。1850年，他發(fā)表的結(jié)果是：“要產(chǎn)生一磅水（在真空中稱量，其溫度在55°和60°之間）增加華氏1°的熱量，需要消耗772英磅下落一英尺所表示的機械功。”焦耳的工作，為“力的守恒”原理奠定了堅實的實驗基礎(chǔ)。
德國科學(xué)家亥姆霍茲于1847年發(fā)表了他的著作《論力的守恒》。文中，他提出了一切自然現(xiàn)象都應(yīng)用中心力相互作用的質(zhì)點的運動來解釋
由此證明了活力與張力之和對中心力守恒的結(jié)論。進面，他還討論了熱現(xiàn)象、電現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象與機械力的關(guān)系，并指出了把“力的守恒”原理運用到生命機體中去的可能性。由于亥姆霍茲的論述方式很有物理特色，故他的影響要比邁耳和焦耳大。
雖然，到此為止，定律的發(fā)現(xiàn)者們還是把能量稱作“力”；而且定律的表述也不夠準(zhǔn)確，但實質(zhì)上他們已發(fā)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律了。將兩種表述比較，可以看出：“力的守恒”比“永動機不能造成”要深刻得多。“力的守恒”涉及的是當(dāng)已認(rèn)識到的物質(zhì)的一切運動形式；同時，它是在一定的哲學(xué)思想指導(dǎo)下（邁耳），在實驗的基礎(chǔ)上（焦耳），用公理化結(jié)構(gòu)（亥姆霍茲）建立起的理論。如果現(xiàn)在仍用“永動機不能造成”來表述定律的話，那已賦予它新的內(nèi)涵了，即現(xiàn)在的機器可以是機械的，也可以是熱的，電磁的、化學(xué)的，甚至可以是生物的了；同時，永動機不能永動的原因也得到揭示。
另外，也要看到，“力的守恒”原理雖然有焦耳的熱功當(dāng)量和電熱當(dāng)量的關(guān)系式，還有亥姆霍茲推出的各種關(guān)系式，但它們都是各自獨立的，還沒能用一個統(tǒng)一的解析式來表述。因此“力的守恒”還是不夠成熟的。
3定律的解析表述——熱力學(xué)第一定律（1850～1875）
要對定律進行解析表述，只有對“熱量”、“功”、“能量”和“內(nèi)能”這些概念的準(zhǔn)確定義才行。
“熱量”的慨念早在十八世紀(jì)就給出了，就是熱質(zhì)的量。1829年，蓬斯萊（J·V· Poncelet 1788～1867）在研究蒸汽機的過程中，明確定義了功為力和距離之積。而“能量”的概念則是1717年，J·伯努力（J·Bernoulli 1667～1748）在論述虛位移時就采用過了的。托馬斯·揚于1805年就把力稱為能量，用過了的。托馬斯·揚于1805年就把力稱為能量，由此定義了揚氏模量。但他們的定義一直未被人們接受，難怪邁耳、焦耳和亥姆霍茲還用“力”來稱為能量。這對定律的表述極不利，再加上熱質(zhì)說的影響還遠未肅清，因此“力的守恒”原理一直不為大多數(shù)人所接受。當(dāng)然，也有一批有識之士認(rèn)識到定律的重大意義并為它的完善進行了卓有成效的工作。其中最著名的是英國的W·湯姆孫（W·Thomson1824～1907）和德國的克勞修斯（R·Clausius 1822～1888）正是他們在前人的基礎(chǔ)上提出了熱力學(xué)第一和第二定律，由此建立了熱力學(xué)理論體系的大廈。
1850年，克勞修斯在德文版《物理學(xué)和化學(xué)年報》第79卷上，發(fā)表了《論熱的動力和能由此推出的關(guān)于熱學(xué)本身的定律》的論文。文中指出：卡諾定理是正確的，但要用熱運動說并加上另外的方法證明才行。他認(rèn)為，單一的原理即“在一切由熱產(chǎn)生功的情況，有一個和產(chǎn)生功成正比的熱量被消耗掉，反之，通過消耗同樣數(shù)量的功也能產(chǎn)生這樣數(shù)量的熱。”是不夠的；還得加上一個原理即“沒有任何力的消耗或其它變化的情況下，就把任意多的熱量從一個冷體移到熱體，這與熱素來的行為相矛盾。”來論證。他說，只有這佯，才能把熱看成一種狀態(tài)量。接下來他作了以下的十分重要的工作：
對于永久氣體，下式成立：
pV=R（273+t） （1）
P是壓力，V是單位質(zhì)量的體積，t是攝氏溫度。再考慮微小的卡諾循環(huán)，可由（1）式得出這一過程中所做的功為：
同時也可計算這一過程消耗的熱量：
設(shè)熱功當(dāng)量的系數(shù)為A，應(yīng)用焦耳原理，由（2）和（3）得：
這時克勞修斯引進了一個新的態(tài)函數(shù)U，（4）式變?yōu)椋?br>
對于這個新的態(tài)函數(shù)，他指出“其性質(zhì)有如人們通常所說的那樣，假定它為總熱量，是一個V和t的函數(shù)，由變化的過程的初態(tài)和終態(tài)完全確定。”
U=U（V，t） （6）
就這樣，他得出了熱力學(xué)第一定律的解析式：
dQ=dU=dW （7）
我們知道，一個知識領(lǐng)域只有發(fā)展到了揭示和把握對象的規(guī)定和量的聯(lián)系時，也就是當(dāng)用上了數(shù)學(xué)工具時，它才真正成為了一門科學(xué)。因此，只有到了這個時候，能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律才同熱力學(xué)第二定律的熵的表述一起構(gòu)成了熱力學(xué)的理論體系的基礎(chǔ)。
1853年，W·湯姆孫重新提出了能量的定義。他是這樣說的：“我們把給定狀態(tài)中的物質(zhì)系統(tǒng)的能量表示為：當(dāng)它從這個給定狀態(tài)無論以什么方式過渡到任意一個固定的零態(tài)時，在系統(tǒng)外所產(chǎn)生的用機械功單位來量度的各種作用之和。”他還把態(tài)函數(shù)U稱為內(nèi)能。直到這時，人們才開始把牛頓的“力”和表征物質(zhì)運動的“能量”區(qū)別開來，并廣泛使用。在此基礎(chǔ)上，蘇格蘭的物理學(xué)家蘭金*（W·J·M·Rankine 1820～1872）才把“力的守恒”原理改稱為“能量守恒”原理。
熱力學(xué)理論建立之后，很多人還是覺得不好理解，尤其是第二定律。為此，從1854年起，克勞修斯作了大量的工作，努力尋找一種為人們?nèi)菀捉邮艿淖C明方法來解釋這兩條原理（當(dāng)時還是叫原理），并多次用通俗的語言進行宣講。這樣，直到1860年左右，能量原理才被人們普遍承認(rèn)。
4定律的準(zhǔn)確表述——能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律（1875～1909）
1860年后，能量定律“很快成為全部自然科學(xué)的基石。特別是在物理學(xué)中，每一種新的理論首先要檢驗它是否跟能量守恒原理相符合。”但是，時至那時，原理的發(fā)現(xiàn)者們還只是著重從量的守恒上去概括定律的名稱，而沒強調(diào)運動的轉(zhuǎn)比。那到底是什么時候原理才被概括成“能量的轉(zhuǎn)比和守恒定律”的呢？從恩格斯在《反杜林論》的一段論述中，可以得到問題的答案。
恩格斯說：“如果說，新發(fā)現(xiàn)的、偉大的運動基本規(guī)律，十年前還僅僅慨括為能量守恒定律，僅僅概括為運動不生不滅這種表述，就是說，僅僅從量方面概括它，那么這種狹隘的、消極的表述日益被那種關(guān)于能量的轉(zhuǎn)化的積極表述所代替，在這里過程的質(zhì)的內(nèi)容第一次獲得了自己的權(quán)利，……”恩格斯這段話發(fā)表于1885年，他說十年前消極表述日益被積極表述所代替，由此判斷，“能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律”這一準(zhǔn)確而完善的表述應(yīng)形成于1875年或稍后一點。
到此為止，似乎有關(guān)定律的一切問題都解決了。其實不然。
我們知道，直到二十世紀(jì)初，熱力學(xué)中的一個重要基本概念——熱量還是沿用的十八世紀(jì)的定義，而這個定義是以熱質(zhì)說為基礎(chǔ)的。也就是說，在熱力學(xué)大廈的基石中還有一塊是不牢固的。因此，1909年，喀喇氏（C·Caratheeodory）對內(nèi)能進行了重新定義：“任何一個物體或物體系在平衡態(tài)有一個態(tài)函數(shù)U，叫做它的內(nèi)能，當(dāng)這個物體從第一態(tài)經(jīng)過一個絕熱過程到第二態(tài)后，它的內(nèi)能的增加等于在過程中外界對它所做的功W。”
U2-U1=W （8）
這樣定義的內(nèi)能就與熱量毫不相關(guān)了，它只與機械能和電磁能有關(guān)。在這一基礎(chǔ)上可以反過來定義熱量：
Q=U2-U1-W （9）
直到這個時候，熱力學(xué)第一定律（能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律）、第二定律及整個熱力學(xué)理論才同熱質(zhì)說實行了最徹底的決裂。
綜觀全文，可知“能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律”的三種表述反映了人類認(rèn)識這一自然規(guī)律的歷程。這三種表述一種比一種更深刻，一種比一種更接近客觀真理。人類正是這樣一步一步地認(rèn)識物質(zhì)世界的。
轉(zhuǎn)載自作者：王驍勇
------能量守恒定律的檢驗
任何物理學(xué)定律都需要經(jīng)過嚴(yán)格的，反復(fù)的檢驗，特別是在把特點領(lǐng)域里發(fā)現(xiàn)的定律移植到其他相關(guān)領(lǐng)域的時候，往往會發(fā)生定律被破壞的情況，比如 宇稱守恒定律在弱相互作用和電磁相互作用中先后被實驗打破。這是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的，即使是被人類社會廣泛認(rèn)同的定律，在沒有經(jīng)過嚴(yán)格檢驗的領(lǐng)域內(nèi)，仍然不能一廂情愿地認(rèn)為它是正確的。 焦耳在研究機械能和熱能的基礎(chǔ)上提出能量守恒定律，當(dāng)時科學(xué)界還不了解電磁相互作用，所以能量守恒定律沒有經(jīng)過在電磁相互作用下的檢驗。我們知道，在一般情況下電磁能是符合能量守恒定律的，但是不能排除特殊情況下的例外，比如宇稱守恒定律也曾經(jīng)被證明在一般電磁相互作用中是正確的，但是后來被發(fā)現(xiàn)在Anapole的特殊結(jié)構(gòu)中就不正確。由于電磁結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，給物理學(xué)定律的檢驗帶來很大的困難，導(dǎo)致這樣的檢驗是漫長的，沒有止境的。
我們可以說能量守恒定律在現(xiàn)有的知識領(lǐng)域內(nèi)是正確的，但是如果說它在任何領(lǐng)域，任何情況下永遠正確就不是科學(xué)研究者應(yīng)有的態(tài)度。
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