能量守恒定律是谁提出的?
能量守恒定律是自然科学中最基本的定律之一。它科学地阐明了运动不灭的观点。它可以表述为:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,在孤立系统中,能量从一种形式转换成另一种形式,从一个物体传递到另一个物体,在转换和传递的过程中,各种形式,各个物体的能量的总和保持不变。整个自然界也可看成一个孤立系统,而表述为自然界中能量可不断转换和传递,但总量保持不变。能量守恒定律简捷地表述为:“孤立系统的总能量保持不变。”
能量是物质运动转换的量度,简称“能”。世界万物是不断运动的,在物质的一切属性中,运动是最基本的属性,其他属性都是运动的具体表现。能量是表征物理系统做功的本领的量度,是物质所具有的基本物理属性之一,是物质运动的统一量度, 能量的单位与功的单位相同,在国际单位制中是焦耳(J)。
从18世纪末到20世纪40年代,多位科学家从不同角度独立地提出了能量守恒观点。
俄国化学家盖斯于1836年发现,任何一个化学反应,不论是一步完成,还是几步完成,放出的总热量相同,即证明了能量在化学反应中是守恒的,被认为是能量守恒定律的先驱。
俄国化学家盖斯
德国医生J.R.迈尔,于荷兰远航东印度船中任船医时,在热带地区看到海员静脉中的血红于在欧洲时,他联系到L.A.拉瓦锡的燃烧理论,认为热带地区的人们机体需热量小,食物氧化过程减弱,静脉血中留下较多的氧,从而想到食物中化学能与热能的等效性。又从海员谈话中听到海水在暴风雨中较热,想到热和机械运动的等效性,1841和1842年连续写出论自然力(即能)守恒的论文,并从空气的定压和定容比热之比,推算出热功当量为1卡等于365克力·米。因此迈尔是公认的第一个提出能量守恒并计算出热功当量的人。
德国医生J.R.迈尔
詹姆斯·普雷斯科特·焦耳是英国的酒商和业余的物理学家,从1837年开始就研究电流产生热量,以后又用多种机械装置反复测定热功当量,一直工作到1878年,终于精确地测定了热功当量值(他用的是英制,换算后为4.51焦/卡),和现代值很近,从而为能量守恒奠定了巩固的实验基础,因此也被公认为发现人之一。
英国物理学家詹姆斯•普雷斯科特•焦耳
德国生理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹在不了解迈尔和焦耳的研究情况下,从永动机不可能出发,思考自然界不同的力(即能)间的相互关系。在专著《力的守恒》中提到张力(今称势能)和活力(即动能)的转换,还深刻地阐明热的本质:“被称为热的量,一部分是指热运动活力的量,另一部分是指原子之间张力的量。这些张力在原子的排列发生变化时能引起热运动,第一部分相当于称之为自由热的部分,第二部分相当于称之为潜热的部分。”他还分析了在电、磁和生物机体中的力的守恒问题。尽管他系统地完整地综合了能量守恒理论,他仍把发现定律的优先权让给迈尔和焦耳。
德国生理学家赫尔曼•冯•亥姆霍兹
能量以多种不同的形式存在着;按照物质的不同运动形式分类,能量可分为机械能、化学能、热能、电能、辐射能、核能。这些不同形式的能量之间可以通过物理效应或化学反应而相互转化 。
宏观物体的机械运动对应的能量形式是动能;分子运动对应的能量形式是热能;原子运动对应的能量形式是化学能;带电粒子的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。
空间属性是物质运动的广延性体现;时间属性是物质运动的持续性体现;引力属性是物质在运动过程由于质量分布不均所引起的相互作用的体现;电磁属性是带电粒子在运动和变化过程中的外部表现,等等。物质的运动形式多种多样,每一个具体的物质运动形式存在相应的能量形式。
当运动形式相同时,物体的运动特性可以采用某些物理量或化学量来描述。物体的机械运动可以用速度、加速度、动量等物理量来描述;电流可以用电流强度、电压、功率等物理量来描述。但是,如果运动形式不相同,物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量,能量是一切运动着的物质的共同特性。
要制造一种机器,它既不靠外界供给能量,本身也不减少能量,却不断地对外做功而不消耗能量。人们把这种假想的机器称为永动机。因为对外界做功就必须消耗能量,不消耗能量就无法对外界做功,因此这样的永动机是永远不可能造成的。反过来,也就证明了能量守恒定律是正确的。
能量守恒定律是自然界普遍的基本定律,是人们认识自然和利用自然的有力武器。