能量守恒定律是自然科學領域的重要基本原理之一，它揭示了能量在自然界中的轉化和守恒規律。根據能量守恒定律，能量既不能從虛空中創造出來，也不能消失無蹤，而是可以在不同形式之間轉換。

能量守恒定律在熱力學中有著廣泛的應用。熱力學研究的是能量的轉化和熱量的傳遞，而能量守恒定律正是熱力學理論的基石。在一個封閉系統中，能量的總量始終保持不變。無論是機械能、化學能、電能還是熱能，它們都可以相互轉換，但總量不會發生改變。

能量守恒定律

能量是物質運動轉化的量度“能”世界上的一切都在不斷運動在物質的所有屬性中，運動是最基本的屬性，其他屬性都是運動的具體表現。能量是物理系統做功能力的量度。

能量（energy）它是物質的基本物理性質之一，是物質運動的統一度量。

能量的單位和功的單位是一樣的，在國際單位制中是焦耳（J）在原子物理學、原子核物理學、電子伏特通常用于粒子物理和其他領域（eV）作為一個單位，1電子伏=1.60218×10焦耳。在物理學領域，erg也被使用（erg）作為能量單位，1爾格=10焦耳。

能量以許多不同的形式存在；根據物質運動形式的不同，能量可以分為機械能、化學能、熱能、電能、輻射能、核能。這些不同形式的能量可以通過物理效應或化學反應相互轉化

各種領域也有能量。

能量的英文“energy”一字源于希臘語：νρ γ ε ι α，這個詞最早出現在亞里士多德 s作品于公元前4世紀。伽利略時代已經出現“能量”想過，但還沒有“能”這一術語。能量的概念來自17世紀的萊布尼茨“活力”一個想法，定義為物體質量和速度平方的乘積，相當于今天動能的兩倍。為了解釋因摩擦而減慢速度的現象，萊布尼茨 的理論認為熱能是由物體中組成物質的隨機運動構成的，這一觀點與牛頓 盡管這個想法花了一個世紀才被普遍接受。

能量（Energy）這個詞是T.楊在國王與王后講自然哲學時引入了這一概念在1807年的倫敦大學“活力”或“上升力”的觀點，提出用“能量”這個詞是表示和物體所做的功有關的，但沒有引起注意人們仍然認為不同的運動包含不同的力。1831年，法國學者科里奧利引入了力做功的概念，并在“活力”前加了1/2系數，稱為動能，通過積分給出功和動能的關系。出現在1853年“勢能”出現在1856年“動能”這些術語。直到能量守恒定律被證實，人們才意識到能量概念的意義和實用價值。

空間屬性是物質運動的廣泛體現；時間屬性是物質運動的持久體現；引力性質是運動過程中質量分布不均勻引起的相互作用的體現；電磁性質是帶電粒子在運動變化過程中的外在表現，等等。物質的運動形式多種多樣，每一種具體的物質運動形式都有相應的能量形式。

與宏觀物體的機械運動相對應的能量形式是動能；與分子運動相對應的能量形式是熱能；與原子運動相對應的能量形式是化學能；帶電粒子定向運動對應的能量形式是電能；光子運動對應的能量形式是光能，等等。除了這些，還有風能、潮汐能等。當運動形式相同時，物體的運動特性可以用一些物理量或化學量來描述。物體的機械運動可以用速度來衡量、加速度、動量和其他物理量；電流可以用電流強度來衡量、電壓、功率和其他物理量。但如果運動形式不同，唯一能描述和比較物質運動特征的物理量就是能量，這是所有運動物質的共同特征。

不同形式的能量可以通過物理效應或化學反應相互轉化。

與物質運動的各種形式相對應，能量也有各種形式。機械能，如動能，表現為機械運動中物體或系統的整體、勢能、聲能等。在熱現象中，是系統的內能，是系統中每個分子隨機運動的動能、分子間相互作用的勢能、原子和原子核的能量總和，但不包括整個系統的機械能。對于熱運動能（舊稱熱能）人們是通過它和機械能的相互轉化而認識的（參見熱力學第一定律）各種領域也有能量

機械能、化學能、熱能、電（磁）能、輻射能、有許多方法可以轉換不同類型的能源，例如核能。比如最常見的電能（交流電和電池）它可以由許多其他形式的能量轉化而來，如機械能–電能的轉變（水力發電）核能–熱能–機械能–電能的轉變（核能發電）化學能–電能的轉變（電池）等。

常見表述：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，只會從一個物體轉移到另一個物體，或者從一種形式轉移到另一種形式，能量的總量在轉化或轉移過程中保持不變。

熱力學第一定律：在所有涉及宏觀熱現象的過程中能量守恒和轉化普遍規律的具體表達。熱力學第一定律證實，在任何過程中，系統從周圍介質中吸收的熱量、在對介質所做的功和系統內能的增量之間有一個數量守恒。

熱力學第一定律是能量守恒定律，是人類經驗的總結，其他任何原理都無法證明。熱力學系

統一能量表示為內能、熱和功，熱力學第一定律是能量守恒的一種表述。從中得出的結論并沒有發現與事實相矛盾。根據熱力學第一定律，可以想象應該制造一種機器，不依賴外界能量供應，本身不減少能量，而是不斷對外做功，不消耗能量。人們稱這種假想的機器為第一種永動機。因為你必須消耗能量對外界做功，你可以 不消耗能量就不能對外做功，所以第一定律也可以表述為“第一種永動機是不可能造成的”反之，第一類永動機永遠造不出來，證明第一定律是正確的。

熱力學系統的內能通常會在從狀態1到狀態2的過程后發生變化。根據能量守恒定律：

ΔU=Q－W （1）

式中ΔU=U－u是系統的內能增量；q是系統在此過程中從環境中吸收的熱量；w是這個過程中系統對環境所做的功。式（1）是熱力學第一定律的數學表達。

式（1）其中u是狀態函數，即δ的值只取決于系統的初態和終態，與系統從初態變化到終態的具體過程無關，而Q和W 與該過程有關。應用式（1）注意，Q和Q的符號是：系統吸收熱量Q0并釋放熱量Q0；系統在環境0下工作，環境在系統W 0下工作。

如果系統的狀態稍有變化，熱力學第一定律就寫成如下：

dU=δQ－δW （2）

其中δQ和δW  分別是微熱和微功的過程，它們不是完全差分的，所以使用它們“δ”而不用“d”來表達，用全微分來表達差。

熱力學第一定律也可以表述為第一類永動機（不消耗任何燃料和能量就能自動做功的機器）是做不成的。

當系統開放時，它與介質之間不僅存在熱力和機械相互作用，還存在物質交換，所以熱力學第一定律的表述還應加上一個由物質交換引起的能量的增量或減量。

機械能是機械現象中物體的能量形式，包括動能和勢能（位能）即機械能=動能勢能。

在封閉的機械系統中（保守力學系統）只有保守力做功，當機械能和其他形式的能量沒有相互轉換時，機械能守恒，系統能量表示為機械能。能量守恒體現在機械能守恒定律中。機械能守恒定律是能量守恒定律的特例。

能量守恒定律表明，能量只能從一種形式轉變為另一種形式，而不能憑空產生或消滅。能量守恒是時間的平移對稱（平移不變性）得出的數學結論（見諾特定理）

根據能量守恒定律，流入能量等于流出能量加上內部能量變化。

這個定律是物理學中一個相當基本的準則。根據時間的平移對稱性（平移不變性），物理定律（定理）隨時成立。

在狹義相對論中，能量守恒定律就是質量和能量守恒定律。質量和能量守恒定律是能量守恒定律的特殊形式。質能公式E=mc描述了質量和能量的對應關系。在經典力學中，質量和能量是相互獨立的，但在相對論力學中，能量和質量是物體力學性質兩個方面的同一表示。在相對論中，質量被推廣到質量-能量。在經典力學中，獨立的質量守恒和能量守恒合并成統一的質量守恒和能量守恒定律，充分體現了物質和運動的統一性。

單質量粒子的相對論能量包括其靜止質量和動能。如果質量粒子的動能為零（或者在相對靜止的參照系中）或者在動量中心系統中有動能的系統的總能量（包括系統內部的動能）與其靜態質量或恒定質量有關，其關系就是著名的E=mc。

因此，只要觀察者 s參考系沒有變，狹義相對論中能量對時間的守恒仍然成立，整個系統的能量不變，不同參考系中觀察者測得的能量不同，但每個觀察者測得的能量不會隨時間變化。不變質量由能量-動量關系定義為所有觀測者能觀測到的系統質量和能量的最小值，質量不變就會守恒，所有觀測者測得的值都一樣。

人們根據大量實驗證實了能量守恒定律，即不同形式的能量相互轉化時，其大小是守恒的。焦耳力學等效熱實驗是早期確認能量守恒定律，進而在宏觀領域建立能量轉換與守恒熱力學第一定律的著名實驗。康普頓效應證實了能量守恒定律在微觀世界仍然是正確的，進而逐漸認識到能量守恒定律是由時間平移的不變性決定的，從而使其成為物理學中的普遍定律（參見對稱和守恒定律）

應該指出，能量的概念有其適用范圍根據廣義相對論，能量在一定條件下不能再作為度量。

熱力學第一定律的想法最初是由德國物理學家j.邁耶在實驗的基礎上于1842年提出了它

的。之后，英國物理學家j.焦耳做了大量實驗，用各種方法尋找熱的力學等效，結果是一致的。換句話說，熱和功之間存在一定的換算關系。經過精確的實驗測定，得知1卡=4.184焦。1847年，德國科學家h.亥姆霍茲對熱力學第一定律進行了嚴格的數學描述，并明確指出：能量守恒定律是普遍適用于所有自然現象的基本定律之一。到1850年，科學界已經認識到了這一點。

證實能量作為守恒量的存在始于17世紀末，當時g.萊布尼茨觀察到地球上的粒子能量的重力場（mv/2+mgh）守恒。焦耳從19世紀40年代就證實了熱只是能量的一種形式，這為熱力學第一定律奠定了基礎。1905年，愛因斯坦將能量與物質的靜態質量聯系起來，給出了著名的質能關系。為了解釋β衰變過程“消失掉”那部分能量，w.泡利提出，一定還有另一種未知粒子。后來E.費米把這種粒子命名為中微子，而那部分“消失掉”能量回來了。

熱力學第一定律證實了這一點：任何系統的態函數——都存在單值內能，孤立系統的內能是常數。物體的內能是微觀粒子不規則熱運動的動能和物體靜止時它們之間相互作用的勢能之和。內能的宏觀定義的實驗基礎是在相同的初末態之間，系統的絕熱功值都相等，與路徑無關。可以看出，外界在絕熱過程中對系統所做的功，只與系統在初態和終態之間的一個函數的變化有關，與路徑無關。這個態函數就是內能。它可以定義為外界通過系統所做的絕熱功：U－U=－因為，公式中的負號意味著外功是正功。功的單位是焦耳。在一個純傳熱過程中，可以用系統內能的變化來定義熱量及其值，即q=u－u，其中系統吸熱定義為正（Q大于0）熱量的單位也是焦耳。

熱和功都是過程量，只有在系統狀態變化時才會出現它們的值不僅與流程的初始和最終狀態有關，還與流程所經過的路徑有關。功和熱都是內能變化的量度，表明它們之間應該有某種等價關系歷史上，這種當量的數值表示被稱為熱的機械當量。

熱力學第一定律是能量守恒定律對非孤立系統的延伸。這時，能量可以以功W或熱q的形式傳入或傳出系統。

闡述方式：

1.物體內能的增加等于物體吸收的熱量和對物體所做的功之和。

2. 系統處于絕熱態時，功只取決于系統初態和末態的能量，與過程無關。

3. 孤立系統永遠節能。

4. 系統絕熱循環后做的功為零，所以第一種永動機是不可能的（也就是不消耗能量做功的機械）

5.當兩個系統相互作用時，工作具有獨特的價值，這種價值可以是積極的、負或零。

在愛因斯坦 根據狹義相對論，能量是四維動量的一個組成部分。這個矢量的每一個分量，在任何封閉系統和任何慣性系中都可以觀察到（其中一個是能量，另外三個是動量）會守恒，如果不隨時間變化，這個向量的長度也會守恒（閔可夫斯基模長）矢量長度是單個粒子的靜態質量，是多質量粒子組成的系統的不變質量（即不變能量）

在量子力學中，量子系統的能量是用一個叫做哈密頓量的自伴算符來描述的，它作用于系統的希爾伯特空間（或是波函數空間）中。如果哈密頓量是一個時不變的算符，那么它的發生概率的度量不會隨著系統的變化而隨時間變化，所以能量的期望值不會隨時間變化。量子場論下的定域性能量守恒可以利用能量-結合諾特定理的動量張量算符。由于量子理論中沒有全局時間算符，時間和能量的不確定關系只能在某些特定條件下成立，這與作為量子力學基礎的位置和動量的不確定關系的本質不同（見不確定性原理）每個固定時間的能量都是可以精確測量的，不會受到時間和能量不確定關系的影響，所以即使在量子力學中，能量守恒也是一個明確定義的概念。

能量守恒定律是許多物理定律的特征。從數學的角度來看，能量守恒是諾特 s定理。如果物理系統在時間平移中滿足連續對稱性，它的能量（時間的共軛物理量）守恒。相反，如果一個物理系統在時移上是非對稱的，它的能量就不守恒，但如果這個系統與另一個系統交換能量，合成的更大系統不隨時間變化，這個更大系統的能量就會守恒。因為任何時變系統都可以放在一個更大的時不變系統中，通過適當地重新定義能量就可以實現能量守恒。對于平直時空中的物理理論，量子力學允許短時間內不守恒（例如正-反粒子對）所以量子力學中不遵守能量守恒。

根據諾特 s定理，能量守恒定律表達了連續對稱性與守恒定律的對應關系。守恒定律是物質運動過程中必須遵守的最基本的定律，也成為物理學中最普遍最深刻的概念。比如物理定律不隨時間變化，也就是說它們關于時間有某種對稱性。諾特 s定理與量子力學有很深的關系，因為它可以區分與海森堡 s測不準原理只有通過運用經典力學的原理（譬如時間和能量）對于時間平移的不變性給出了著名的能量守恒定律。

時空是齊次各向同性的，坐標系原點的平移和坐標軸的旋轉是對稱變換，構成了一個非齊次的洛倫茲群，也叫龐加萊群。在龐加萊群中，平移發生器對應的物理量是能量-動量矢量。能量、動量和角動量守恒與時空的均勻性和各向同性直接相關，不依賴于物質的具體含量。無論微觀還是宏觀，粒子還是場，空氣運動中的所有物質在均勻各向同性時都服從能量、動量和角動量守恒定律。

焦耳熱的力學等效實驗是早期證實能量守恒的著名實驗。在總能量不變的前提下，固有能量、動能、勢能可以相互轉化。最典型的例子就是正電子和負電子湮滅成光子過程中的總固有能量（對應于靜止質量）轉換成光子能量，也就是電磁輻射能量（相應的質量就是光子的動態質量）再比如原子核裂變過程中，一部分固有能量轉化為動能。由多種成分組成的復合系統的固有能量（或靜質量）是每種成分的固有能量（或靜質量）與的相互作用勢能之和。比如穩定原子核的靜止質量比組成它的原子核多（質子和中子）靜止質量之和很小，兩者之差稱為質量虧損，對應的能量就是原子核的結合能（核子間相互作用的勢能）核能是核反應過程中釋放的原子核結合能，是質能關系的直接證據。

能量和動量守恒定律（角動量）守恒定律成功應用的最典型的例子是在基本粒子實驗中發現中微子。中微子靜止時很小、一種不帶電的基本粒子，與物質的相互作用極弱。2]20世紀20年代末30年代初，發現研究了核β衰變后發射的電子（即β射線）它帶走的能量小于根據能量守恒定律它應該帶走的能量（似乎失去了一些能量）而且原子核的自旋和電子的自旋都不符合量子力學中角動量合成的規律。為了解釋這種現象，要么放棄能量和角動量守恒定律，要么假設存在一種不可觀測的基本粒子中微子，以保持這些守恒定律成立。物理學家最終選擇了后者，并通過其他基本粒子實驗證實了中微子（和反中微子）存在，能量和動量守恒定律（角動量）守恒定律在這些過程中仍然有效。

上述狹義相對論能量、質量、動量的概念和定義，以及能量和動量守恒定律（角動量）守恒定律，或者更一般的能量–動量守恒定律（角動量守恒包含在其中），不僅適用于力學現象，也適用于整個扁平時空的物理學

簡要概述

能量轉化和守恒定律”該提案必須基于三個基礎：①正確理解熱的本質；2發現物質運動的各種形式之間的轉化；③相應的科學理念。到了19世紀，這三個條件都滿足了。

19世紀中期發現的能量守恒定律是自然科學中非常重要的定律它的發現是人類對自然科學規律認識逐步積累的必然結果能量守恒定律是把機械能和熱能聯系起來的定律。

在18世紀末到19世紀中葉這段時間里，人類積累了經驗和大量的生產實踐、熱力學第一定律是建立在科學實驗的基礎上的。在這個過程中，德國醫生j.邁耶和英國物理學家j.焦耳做出了重要貢獻，他們每個人通過獨立研究得出了相同的結論。1842年，邁耶在他的文章《論無機界的力》中提出了機械能和熱相互轉化的原理，由空氣在恒壓和定容下的比熱容之差計算出熱值的機械當量。1845年出版的《論有機體的運動和新陳代謝》這本書描述了運動形式轉變的25種情況。焦耳從1840年開始就對電流的熱效應和熱的力學等效做了大量的實驗（見焦耳熱實驗的機械當量）于1840—1845年，《論伏打電池所生的熱》陸續出版、(《電解時在金屬導體和電池組中放出的熱》)《論磁電的熱效應及熱的機械作用》《論由空氣的脹縮所產生的溫度變化》等文章。通過各種精確的實驗，他直接得到了熱的力學當量的數值，結果的一致性為能量守恒和轉化定律奠定了堅實的實驗基礎。除了邁耶和焦耳，許多科學家也為熱力學第一定律的建立做出了貢獻。如1839年M.Segan做了一篇關于熱化學中反應熱與中間過程無關的定律的文章；1843 3356升.凱爾丁發表了測定熱的機械當量的實驗結果；1847年H.亥姆霍茲在有心臟的假設下，根據力學定律全面論述了機械運動、熱運動和電磁運動“力”相互轉化和守恒定律等等。在這個歷史時期，各國科學家能夠獨立發現能量守恒和轉化的規律，是由當時的生產條件決定的。從18世紀早期到18世紀下半葉，蒸汽機的制造、英國的改良和煉鐵、廣泛應用于紡織工業和熱機的效率、機器中摩擦生熱的研究極大地促進了人們對摩擦生熱的認識對能量轉換定律的理解

發現經過

1798年，C·倫福德向英國皇家學會提交了一份從炮管實驗中獲得的熱運動理論的實驗報告。1800年，D·大衛 美國通過在真空中摩擦冰塊來融化冰塊的實驗支持倫福德 的報告。1801年，T·《論光和色的理論》楊說光和熱具有相同的性質，并強調熱是一種運動。此后，熱運動理論逐漸取代了熱量理論。

1819世紀之交，各種自然現象之間的相互轉化被陸續發現：從熱到功的轉化和光的化學效應的發現之后，1800年發現了紅外線的熱效應。電池一發明，就發現了電流的熱效應和電解作用。1820年發現電流的磁效應，1831年發現電磁感應現象。10]熱電現象發現于1821年，它的逆現象發現于1834年，等等。

在世紀之交，自然被認為是“活力”的思想是德國“自然哲學”的主要觀點。這種哲學把整個宇宙看作是某種根本力量造成的歷史發展的產物。當時，這種哲學在德國和一些西歐國家占主導地位。

卡諾是第一個提出熱能轉換的人，他認為：熱只不過是一種動力，或者僅僅是一種運動形式。熱是一種運動。對于一小部分物體來說，如果動力被破壞，那么同時，它也必然會產生與破壞的動力嚴格成正比的熱量。相反，熱量消失的地方，肯定會發電。因此，可以建立這樣一個命題：力量的大小在本質上是不變的更準確地說，力量的總量既不能產生，也不能消滅。同時給出了熱的機械當量的粗略值。

卡諾 直到他死后46年，也就是1878年，他的思想才受到重視。1842年以前，德國的邁爾是第一個學習“自然哲學”以推測的方式出發“原因等于結果”的因果鏈釋放出25種力的轉化形式。1845年，他還利用了定壓比熱容和定容比熱容的差異：C－C=R，計算出的熱功當量值為1卡=365 g·m。

1843年，英國實驗物理學家焦耳做了更多的工作，確定了更精確的當量值。1850年，公布的結果是：要產生一磅水（真空稱重，溫度在55到60之間）增加1華氏度的熱量，下降1英尺需要772磅的機械功。焦耳的工作，為“力的守恒”該原理奠定了堅實的實驗基礎。

德國科學家亥姆霍茲在1847年出版了他的書《論力的守恒》。提出一切自然現象都應該用粒子與中心力相互作用的運動來解釋。這證明了活力和張力之和對中心力是保守的結論。此外，對熱現象進行了討論、電現象、化學現象和機械力之間的關系，并指出“力的守恒”將原理應用于生物體的可能性。因為亥姆霍茲 s的討論方式是非常物理的，其影響大于邁耶和焦耳。

定律的發現者仍然稱能量為“力”而且定律的表述還不夠準確，但本質上已經發現了能量轉化和守恒定律。比較這兩個表達，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”當人們認識到這一點時，它包括了所有形式的物質運動；同時，在一定的哲學思想指導下（邁耳）以實驗為基礎（焦耳），用公理化結構（亥姆霍茲）建立的理論。

力的守恒”盡管該原理具有焦耳和安培之間的關系s熱的力學等效和電熱等效，以及亥姆霍茲推導出的各種關系，它們都是獨立的，沒有用一個統一的解析式來表示。

解析表述

法律的解析表達，只適用于“熱量”功”能量”和“內能”這些概念應該準確定義。在18世紀，“熱量”慨念是熱質的量。1829年，J·在研究蒸汽機的過程中，龐斯列明確地將功定義為力和距離的乘積。而“能量”概念是1717，j·討論虛位移時使用的伯努利。1805年，T·年輕的稱為原力能量，從而定義年輕和s模量。但是它的定義從來沒有被人們接受過。一批有識之士認識到這部法律的重大意義，并為完善這部法律做了卓有成效的工作。其中最著名的是英國的w·湯慕孫與德國r·克勞修斯。正是他們在前人的基礎上提出了熱力學第一第二定律，建立了熱力學理論體系的大廈。

1850年，克勞修斯發表了論文《論熱的動力和能由此推出的關于熱學本身的定律》。指出卡諾 s定理是正確的，用熱運動解釋并證明。我認為一個原則是“在所有由熱產生功的情況下，一個熱量的消耗與產生的功成正比，反過來，這個熱量可以通過消耗相同量的功來產生。加上一個原理即“在沒有任何力的消耗或其他變化的情況下，任何量的熱從冷的物體傳遞到熱的物體，這與熱電元件的行為相反。來論證。把熱看作一個狀態量。

W·湯姆孫

克勞修斯最終得到了熱力學第一定律的解析公式：

dQ=dU-dW

這時，能量轉化和守恒定律與熱力學第二定律的熵表達式一起構成了熱力學理論體系的基礎。

1853年，湯慕孫重新定義了能量的定義：把處于給定狀態的物質系統的能量表示為：當它以任何方式從這個給定的狀態過渡到任何一個固定的零狀態時，由機械功單位測量的系統外產生的各種作用的總和。稱狀態函數為u內能。人們開始把牛頓 s“力”描述物質運動的特征“能量”區分它們并廣泛使用它們。在此基礎上，蘇格蘭物理學家w·蘭金把“力的守恒”原理改稱為“能量守恒”原理。

自1854年以來，克勞修斯做了大量工作，試圖找到一種可以接受的證明方法來解釋這一原理。1860年，能量守恒原理被普遍認可。

能量既不能被創造也不能被消滅。能量守恒是物質運動的普遍規律之一。物質運動的形式多種多樣，可以相互轉化。8]轉化前后，作為物質運動量度的能量之和保持不變。能量守恒的概念早就被力學領域的物理學家證明了。但是，這個守恒概念推廣到熱能，用了兩三百年。歷史上對熱能有過各種各樣的誤解。從18世紀到19世紀中期，自然科學在很長一段時間內被熱和質量理論所支配。這種片面的理論認為，物質中存在一種流體，叫做熱質。溫差引起的熱傳遞被認為是從高溫物體流向低溫物體的熱質量；摩擦生熱被認為是熱質量釋放的結果。這個理論與許多實驗事實相矛盾。當蘭福德在1798年開發槍管時，人們觀察到產生的熱量與通過鉆孔和研磨去除的金屬碎屑不成比例此外，如果用鈍鉆繼續鉆孔和研磨，釋放的熱量幾乎是無限的，這表明熱質量不可能是一種物質。以后又經過H.戴維、J.邁爾、H.亥姆霍茲等人的工作，尤其是在1840年—1848年間J.焦耳 通過熱的力學等效實驗，人們逐漸認識到熱質量是不存在的。熱量的傳遞或變換和機械功電功的傳遞或變換一樣，也是一種能量的傳遞或變換，在傳遞或變換過程中總能量是恒定的。這樣，能量守恒在普遍的基礎上得到了證實

1860年，能量守恒定律“它很快成為所有自然科學的基石。尤其是物理學，每一個新理論都要先檢驗是否符合能量守恒原理。然而，該原理的發現者只注重從量的守恒中概括規律，而不強調運動的變換。

直到20世紀初，熱力學中一個重要的基本概念——仍然遵循著18世紀的定義，這個定義是基于熱量論的，熱力學大廈的基石中仍然存在著不穩定的一塊。因此，1909年，c·卡拉格重新定義了內部能量：任何物體或物體系統在平衡態都有一個狀態函數U，稱為其內能當物體經歷一個從第一狀態到第二狀態的絕熱過程時，其內能的增加等于外界在此過程中所做的功W。

U－U=W

這樣定義的內能與熱無關，只與機械能和電磁能有關。這時，熱力學第一定律、熱力學第二定律和整個熱力學理論拋棄了熱量論。

否定永動機

據說永動機的概念起源于印度，12世紀傳入歐洲。據記載歐洲最早、最著名的永動機之一是由法國人V在13世紀設計的·亨內考提出來的。隨后，研究和發明永動機的人不斷涌現，雖然很多學者指出永動機是不可能的。

文藝復興時期的意大利學者達達·芬奇曾經花了很大的精力研究永動機，最后得出結論永動機是造不出來的。同時代的J·卡丹（它因第一個給出解三次方程的根而聞名），也認為永動機是不可能的。第一種永動機違反能量守恒定律，第二種違反熱力學第二定律。

隨著人們認識到永動機的不可能性，一些國家的專利局決定不受理發明永動機的專利申請。

經驗性表述

13世紀，人們開始萌發制造永動機的愿望。5]在15世紀，偉大的藝術家、科學家和工程師·芬奇致力于永動機的研究。1475年，達·芬奇認真總結了歷史上失敗的教訓，得出了一個重要結論：永動機是不可能引起的。他還意識到機器之所以能夠 永遠不動與摩擦力有關。因此對摩擦進行了深入有效的研究。但是達·芬奇從未對阻礙機器運動的摩擦做出科學解釋，他現在仍然可以 我不理解摩擦（機械運動）相變與熱現象的本質關系。

此后，一些學者得出結論“永動機是不可能引起的”結論，并把它作為科學研究的重要原則。荷蘭數學力學家s·斯臺文，在1586年，用這個原則通過了權利“斯臺文鏈”力的平行四邊形法則首先來源于對力的分析。伽利略在證明慣性定律時也應用了這個原理。

1673年，C·惠更斯在他的書《擺式時鐘》中反映了這一觀點。應用伽利略和s關于斜面運動的研究成果轉化為曲線運動，并得出結論：在重力作用下，物體繞水平軸旋轉時，其質心不會上升到下落時的高度以上。因此得出結論，用機械方法制造永動機是不可能的。

歷史上運用“永動機是不可能制造出來的”這一原理在法國青年科學家卡諾的科學研究中取得了輝煌的成就。

卡諾是在1824年引進的“卡諾定理”，原則只能在機械運動中和“熱質”在流動中的應用不是現代意義上的能量轉化和守恒定律，而是對機械運動中能量守恒的經驗總結，是定律的原始形式。

第一種永動機是不可能造成的”這是熱力學第一定律的另一種表達。在第一定律成立之前，很多人幻想制造出一種不消耗能量就能做功的機器，被稱為第一種永動機。制造這種永動機的努力的徹底失敗，從反面促進了能量守恒和轉化定律的建立。

熱力機械

1798年，美國人c·蘭福德在用鏜刀鉆炮管青銅毛坯時發現金屬毛坯是熱的。蘭福德注意到，只要無聊不 不要停下來，金屬繼續升溫。結論是鏜刀的機械運動轉化為熱，所以熱是運動的一種形式，而不是之前認為的物質。蘭福德試圖計算一定量的機械能所產生的熱量，并首次給出了熱值的大致機械當量。半個世紀后，焦耳提供了正確的數值。

1712年，英國t·紐科門發明了大氣蒸汽機。這臺機器有一個氣缸和一個活塞工作時，蒸汽首先進入汽缸此時，汽缸停止供應蒸汽，水進入汽缸當蒸汽凝結成水時，氣缸內的氣壓迅速降低，水會被吸上來。然后蒸汽被引入汽缸，進入下一個循環。起初，這種蒸汽機每分鐘來回十次左右，可以自動工作，極大地方便了礦井中的抽水工作。

J·瓦特在18世紀下半葉改進了蒸汽機。6]其中，有兩個最重要的改進一個是發明冷凝器提高蒸汽機效率，一個是發明離心調速器自由控制蒸汽機轉速。瓦特改進蒸汽機后，它被廣泛應用于工業。

溫度計的發明

一個精確的熱理論應該從溫度計的制造開始。17世紀，G·伽利略和其他人開始制造溫度計。由于采用的溫標使用不便，后人很少使用。

1714年，實用溫標是德國物理學家d·沃倫海開始用水銀作為溫度計，并不斷改進它1717年，它確定了華氏溫標。科學家已經正式確定華氏溫標是：假設水的沸點是212度，水的冰點是32度。這一規定是為了避免對通常的溫度取負值。

從1742年到1743年，瑞典天文學家a·謝修斯發明了攝氏溫標，標準狀態下水的冰點是零度，水的沸點是100度。1948年，國際度量衡會議將攝氏度定為國際標準。

熱功當量實驗

J·焦耳在1835年遇到了曼徹斯特大學的教授道爾頓。焦耳 的數學知識有限，研究主要靠測量。1840年對帶電導體進行多次測量后，發現電能可以轉化為熱能，得出了一個定律：電導體產生的熱量和電流強度的平方、導體的電阻與通過時間成正比。

焦耳在英國學術會議上宣布，他繼續探索各種運動形式之間的能量守恒和轉化的關系：自然界的能量可以 在消耗機械能的地方，總能獲得相當多的熱量熱只是能量的一種形式。

焦耳不斷改進測量方法，提高測量精度，最終得出“熱功當量”的物理常數是423.9 千克米/Kcal，這個常數的精確值是418.4千克米/千卡。國際單位制中熱量的單位是焦耳，1卡=4.184焦耳。12]13]

熱量的發現

18世紀50年代，英國科學家j·布萊克將相同重量的32華氏度的冰塊與172華氏度的水相混合結果發現平均溫度是32華氏度而不是102華氏度，結果是所有的冰塊都融化成了水。布萊克得出結論：冰融化時需要吸收大量的熱量，使冰變成水，但不會導致溫度升高。他猜測冰融化時吸收的熱量是肯定的。大量進一步的實驗使布萊克發現各種物質都在發生狀態變化（熔解、凝固、汽化、凝結）有這種效果。

布萊克用一種簡單直觀的方法來測量水汽化所需的熱量。布萊克測量出融化一定量的冰所需的熱量等于在華氏140度加熱同樣重量的水所需的熱量（相當于加熱77.8℃所需的熱量）正確的數值是143華氏度（相當于80℃）

基于實驗事實，布萊克開始認識到熱和溫度是兩個不同的概念，并引入了“潛熱”熱量）概念。

1780年，法國科學家a·拉瓦錫與P·拉普拉斯提出了一種正確測量物質熱容量的方法。由于熱的準確性，1822年，法國學者j·傅立葉發表了一篇總結性的作品《熱的解析理論》。

活力與死力之爭

1644年R·笛卡爾在《哲學原理》討論碰撞問題的時候引用過

引入動量的概念來度量運動。1687年，牛頓用《自然哲學的數學原理》中動量的變化測力。3]與此不同的是G·在1686年的一篇論文中，萊布尼茨抨擊笛卡爾，主張用質量乘以速度的平方來衡量運動，萊布尼茨稱之為活力。牛頓 用動量來衡量的力叫做死力。萊布尼茨 的命題與惠更斯 碰撞研究的結論是“當兩個物體相互碰撞時，它們的質量和速度平方的乘積之和在碰撞前后保持不變。

自從萊布尼茨挑起爭論以來，笛卡爾和萊布尼茨之間就一直存在爭論。這場爭論持續了近半個世紀，眾多學者參與其中，各有各的實驗證據。1743年，法國學者j·D 阿朗貝爾在《論動力學》中說：對于衡量一個力來說，用它來給一個受它影響一定距離的物體以活力，或者用它來給一個受它影響一定時間的物體以動量，也是合理的。D 阿朗貝爾揭示了生命力是根據作用距離來衡量力的大小，而動量是根據作用時間來衡量力的大小。爭論最終解決了。活力被普遍認為是一個正式的機械術語。

雖然生命力的概念被接受，但生命力與力量的關系并不明確。1807年，英國學者t·楊提出了能量的概念，1831年法國學者g·科里奧利引入了力做功的概念，表明力做功轉化為物體的動能，即自然界中機械能守恒。

邁爾的發現

邁爾

J·邁爾（1814－1878）是德國物理學家。

1840年去爪哇島的航行中，出于對動物體溫的考慮，我對物理學產生了興趣。當他為生病的水手放血治療時（當時流行的療法），發現靜脈里的血是明亮的。他認為血液在熱帶是鮮紅色的，而身體不是它不需要燃燒更多的氧氣來保持體溫，就像在溫帶一樣。這一現象促使邁耶思考這樣一個事實體內的食物轉化為熱量，身體可以做功。得出結論，熱和功是可以相互轉化的。

他注意到許多人 s當時在永動機上的實驗都以失敗告終，這讓他猜測“機械功不可能無中生有”

1841年9月12日，他在給朋友的信中首次提到了熱的機械當量：解決以下問題仍然極其重要：某一重物（例如100磅）必須舉到地面多高，才能使這個高度對應的運動量和放下重物所獲得的運動量正好等于把一磅0℃的冰轉化為0℃的水

所必要的熱量。

1840年，邁耶開始思考人身上的熱量從何而來？心臟的運動可以 不會產生這么多的熱量，而且它能 不要保持體溫。體溫是由整個身體維持的有血有肉，來自食物，最終來自植物，植物通過吸收太陽的光和熱而生長。最后，它歸結為能量是如何轉化的（轉移）

邁耶寫了一篇文章《論無機界的力》，測得熱的機械當量為365kgm/千卡。論文提交至《物理年鑒》，但未發表。不僅學術上不被理解，生活上也經歷了重大打擊。1858年，邁耶被世人重新發現，并被瑞士巴塞爾自然科學院授予榮譽博士。獲得了皇家學會的科普利獎章、蒂賓根大學榮譽哲學博士、意大利巴伐利亞和都靈科學院院士頭銜。

邁耶是第一個進行熱的力學等效實驗的學者，盡管他的實驗比焦耳 南。他首先表述了能量守恒定律：正是這個相反的證明顯示了我的定律的絕對真理：也就是科學界公認的定理：永動機的設計理論上是絕對不可能的。

邁耶證明了太陽是地球上所有生物和非生物能量的最終來源。

后來，亥姆霍茲和焦耳 的論文相繼發表，人們把能量守恒定律的發明者歸功于亥姆霍茲和焦耳，但不承認邁耶。

1858年，亥姆霍茲閱讀了邁爾 s 1852論文并承認邁耶 他的思想早于他的有廣泛影響的論文。克勞修斯也認為邁耶是守恒定律的發現者。1862年，廷德爾系統地介紹了邁耶 他在倫敦皇家學會工作，他的成就最終得到了學會的認可。

亥姆霍茲的發現

1847年7月23日·亥姆霍茲（1821—1894）他把一份題為《論力的守恒》的報告交給物理協會，交給《物理學編年史》的編輯沒想到，它遭遇了和邁耶 的手稿，編輯拒絕發表，因為沒有實驗事實。

他在一家著名的出版社以小冊子的形式出版了這篇論文。文章的結論與焦耳 這個實驗很快就被稱為“自然的最高和最重要的原則”由于著名出版社的出版，亥姆霍茲和邁耶的命運完全不同。英國學者開爾文采用了t·楊提出的能量概念采用了“勢能”代替“彈力”，以“動能”代替“活力”力學中延續了近200年的模糊概念被改變了。

能量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律，是人們認識和利用自然的有力武器。

1.雅芳伽德羅常數NA=6.02×1023/mol;分子直徑是10個數量級-10米

2.油膜法測量分子直徑d=V/s {V:單分子油膜的體積(m3)，S:油膜表面積(m)2｝

3.分子動理論內容：物質是由大量分子組成的；大量分子做隨機熱運動；分子之間有相互作用。

4.分子間的引力和斥力(1)R10r0，F引=f斥力≈0，F分子力≈0，E分子勢能≈0

5.熱力學第一定律w q=δ u{功和熱傳遞是改變物體內能的兩種方式，它們在效果上是等效的)，W:外界對物體所做的正功(J)Q:物體吸收的熱量(J)，δδu :增加了內能(J)，涉及第一種永動機不能制造〔見第二冊P40〕

6.熱力學第二定律

克氏表述：不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不引起其他變化(熱傳導的方向性)

開氏表述：不可能從單一熱源吸收熱量，然后全部用來做功而不引起其他變化(機械能和內能轉化的方向性)到了第二種永動機，就做不出來了〔見第二冊P44〕

7.熱力學第三定律：熱力學零度是無法達到的{宇宙溫度下限：273.15攝氏度(熱力學零度)

注:

1)布朗粒子不是分子布朗粒子越小，布朗運動越明顯，溫度越高，布朗運動越劇烈;

2)溫度是分子平均動能的標志;

3)分子間的引力和斥力同時存在，并隨著分子間距離的增大而減小，但斥力減小的速度比引力快;

4)當分子力做正功時，分子勢能減小，在r0，F引力=F斥力，分子勢能最小;

5)氣體膨脹時，外界對氣體做負功W0;隨著溫度的升高，內能增加δU0;吸收熱量，Q0

6)物體的內能是指分子的全部動能和物體的分子勢能之和對于理想氣體，分子間力為零，分子勢能為零;

7)R0是平衡時分子間的距離。

能源的利用和轉化也遵循能量守恒定律。現代社會對能源的需求日益增長，因此必須合理利用能源資源，并盡可能降低能量的浪費。在能源轉化的過程中，雖然會有一些能量轉化為無用的熱量或其他形式的能量損失，但總能量仍然是守恒的。

能量守恒定律不僅對自然界的運行起著指導作用，也對科學研究和技術發展具有重要意義。在物理學、化學、工程學等學科中，能量守恒定律經常被應用于解決問題和設計系統。只有遵循能量守恒定律，才能確保能夠合理利用能源，推動社會的可持續發展。

總之能量守恒定律是自然界中的一條基本規律，它揭示了能量的轉化和守恒原理。無論是在科學研究、日常生活還是能源利用中，都需要遵循能量守恒定律，以實現能量的有效轉化和利用。只有這樣，才能保護環境、促進可持續發展，為人類創造一個更加美好的未來。