能量守恒定律
墨菲定律能量守恒定律適用于物理的能量學(xué)，它的提出者是托馬斯楊。下面是學(xué)習(xí)啦小編給大家整理的能量守恒定律，供大家參閱!
能量守恒定律定義
能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的量度，簡(jiǎn)稱“能”。世界萬(wàn)物是不斷運(yùn)動(dòng)的，在物質(zhì)的一切屬性中，運(yùn)動(dòng)是最基本的屬性，其他屬性都是運(yùn)動(dòng)的具體表現(xiàn)。能量是表征物理系統(tǒng)做功的本領(lǐng)的量度。
能量(energy)是物質(zhì)所具有的基本物理屬性之一，是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一量度。
能量的單位與功的單位相同，在國(guó)際單位制中是焦耳(J)。在原子物理學(xué)、原子核物理學(xué)、粒子物理學(xué)等領(lǐng)域中常用電子伏(eV)作為單位，1電子伏=1.602,18×10-19焦。物理領(lǐng)域，也用爾格(erg)作為能量單位，1爾格=10-7焦。
能量以多種不同的形式存在;按照物質(zhì)的不同運(yùn)動(dòng)形式分類，能量可分為機(jī)械能、化學(xué)能、熱能、電能、輻射能、核能。這些不同形式的能量之間可以通過(guò)物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)而相互轉(zhuǎn)化 。各種場(chǎng)也具有能量。
能量的英文“energy”一字源于希臘語(yǔ)：ἐνέργεια，該字首次出現(xiàn)在公元前4世紀(jì)亞里士多德的作品中。伽利略時(shí)代已出現(xiàn)了“能量”的思想，但還沒(méi)有“能”這一術(shù)語(yǔ)。能量概念出自于17世紀(jì)萊布尼茨的“活力”想法，定義于一個(gè)物體質(zhì)量和其速度的平方的乘積，相當(dāng)于今天的動(dòng)能的兩倍。為了解釋因摩擦而令速度減緩的現(xiàn)象，萊布尼茨的理論認(rèn)為熱能是由物體內(nèi)的組成物質(zhì)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所構(gòu)成，而這種想法和牛頓一致，雖然這種觀念過(guò)了一個(gè)世紀(jì)后才被普遍接受。
能量(Energy)這個(gè)詞是T.楊于1807年在倫敦國(guó)王學(xué)院講自然哲學(xué)時(shí)引入的，針對(duì)當(dāng)時(shí)的“活力”或“上升力”的觀點(diǎn)，提出用“能量”這個(gè)詞表述，并和物體所作的功相聯(lián)系，但未引起重視，人們?nèi)哉J(rèn)為不同的運(yùn)動(dòng)中蘊(yùn)藏著不同的力。1831年法國(guó)學(xué)者科里奧利又引進(jìn)了力做功的概念，并且在“活力”前加了1/2系數(shù)，稱為動(dòng)能，通過(guò)積分給出了功與動(dòng)能的聯(lián)系。1853年出現(xiàn)了“勢(shì)能”，1856年出現(xiàn)了“動(dòng)能”這些術(shù)語(yǔ)。直到能量守恒定律被確認(rèn)后 ，人們才認(rèn)識(shí)到能量概念的重要意義和實(shí)用價(jià)值。
空間屬性是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的廣延性體現(xiàn);時(shí)間屬性是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性體現(xiàn);引力屬性是物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程由于質(zhì)量分布不均所引起的相互作用的體現(xiàn);電磁屬性是帶電粒子在運(yùn)動(dòng)和變化過(guò)程中的外部表現(xiàn)，等等。物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式多種多樣，每一個(gè)具體的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式存在相應(yīng)的能量形式。
宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是動(dòng)能;分子運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是熱能;原子運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是化學(xué)能;帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是電能;光子運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是光能，等等。除了這些，還有風(fēng)能、潮汐能等。當(dāng)運(yùn)動(dòng)形式相同時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)特性可以采用某些物理量或化學(xué)量來(lái)描述。物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)可以用速度、加速度、動(dòng)量等物理量來(lái)描述;電流可以用電流強(qiáng)度、電壓、功率等物理量來(lái)描述。但是，如果運(yùn)動(dòng)形式不相同，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特性唯一可以相互描述和比較的物理量就是能量，能量是一切運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)的共同特性。
不同形式的能量之間可以通過(guò)物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)而相互轉(zhuǎn)化。
對(duì)應(yīng)于物質(zhì)的各種運(yùn)動(dòng)形式，能量有各種不同的形式。在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)為物體或體系整體的機(jī)械能，如動(dòng)能、勢(shì)能、聲能等。在熱現(xiàn)象中表現(xiàn)為系統(tǒng)的內(nèi)能，它是系統(tǒng)內(nèi)各分子無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能、分子間相互作用的勢(shì)能、原子和原子核內(nèi)的能量的總和，但不包括系統(tǒng)整體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。對(duì)于熱運(yùn)動(dòng)能(舊稱熱能)，人們是通過(guò)它與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換而認(rèn)識(shí)的(見(jiàn)熱力學(xué)第一定律)。各種場(chǎng)也具有能量 。
機(jī)械能、化學(xué)能、熱能、電(磁)能、輻射能、核能等不同類型的能量之間相互轉(zhuǎn)化的方式多種多樣。例如，最常見(jiàn)的電能(交流電和電池)可以由多種其他形式的能量轉(zhuǎn)變而來(lái)，如機(jī)械能–電能的轉(zhuǎn)變(水力發(fā)電)、核能–熱能–機(jī)械能–電能的轉(zhuǎn)變(核能發(fā)電)、化學(xué)能–電能的轉(zhuǎn)變(電池)等 。
能量守恒定律實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)是早期確認(rèn)能量守恒的有名實(shí)驗(yàn)。在保持總能量不變的前提下，固有能量、動(dòng)能、勢(shì)能之間可以相互轉(zhuǎn)化。最典型的例子就是在正電子和負(fù)電子湮沒(méi)成光子的過(guò)程中，正負(fù)電子的全部固有能量(對(duì)應(yīng)于靜止質(zhì)量)轉(zhuǎn)化成了光子能量即電磁輻射能(相應(yīng)的質(zhì)量為光子的動(dòng)質(zhì)量)。又如在原子核裂變過(guò)程中，部分固有能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。一個(gè)有多種成分組成的復(fù)合系統(tǒng)，其整體的固有能量(或靜質(zhì)量)是各組成部分的固有能量(或靜質(zhì)量)與相互作用勢(shì)能的總和。例如，穩(wěn)定原子核的靜質(zhì)量要比構(gòu)成它的核子(質(zhì)子和中子)的靜質(zhì)量之和為小，兩者之差稱為質(zhì)量虧損，與之相應(yīng)的能量就是原子核的結(jié)合能(來(lái)自核子之間的相互作用勢(shì)能);核能就是原子核反應(yīng)過(guò)程中釋放出來(lái)的原子核結(jié)合能，它是質(zhì)能關(guān)系的直接證據(jù)。
能量守恒定律和動(dòng)量(角動(dòng)量)守恒定律成功應(yīng)用的最典型事例是基本粒子實(shí)驗(yàn)中中微子的發(fā)現(xiàn)。中微子是一種靜止質(zhì)量微小、不帶電且與物質(zhì)相互作用極其微弱的基本粒子。20世紀(jì)20年代末30年代初，對(duì)原子核β衰變能譜的研究發(fā)現(xiàn)衰變后發(fā)射出的電子(即β射線)帶走的能量比它按能量守恒定律所應(yīng)帶走的能量要小(似乎丟失了部分能量)，而且原子核的自旋與電子的自旋不符合量子力學(xué)中的角動(dòng)量合成規(guī)則。為了解釋這種現(xiàn)象，要么放棄能量和角動(dòng)量守恒定律，要么假定有一種未能觀測(cè)到的基本粒子即中微子存在，以便保持這些守恒定律成立。物理學(xué)家最終選擇了后者，并且利用其他的基本粒子實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中微子(和反中微子)的存在，能量守恒定律和動(dòng)量(角動(dòng)量)守恒定律在這些過(guò)程中仍然有效。
上述狹義相對(duì)論能量、質(zhì)量、動(dòng)量的概念和定義，以及能量守恒定律和動(dòng)量(角動(dòng)量)守恒定律，或者更一般的能量–動(dòng)量守恒定律(角動(dòng)量守恒包含在其中)，不僅適用于力學(xué)現(xiàn)象，而且適用于整個(gè)平直時(shí)空中的物理學(xué) 。
能量守恒定律理論詮釋
在愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論中，能量是四維動(dòng)量中的一個(gè)分量。在任意封閉系統(tǒng)，在任意慣性系觀測(cè)時(shí)，這個(gè)向量的每一個(gè)分量(其中一個(gè)是能量，另外三個(gè)是動(dòng)量)都會(huì)守恒，不隨時(shí)間改變，此向量的長(zhǎng)度也會(huì)守恒(閔可夫斯基模長(zhǎng))，向量長(zhǎng)度為單一質(zhì)點(diǎn)的靜止質(zhì)量，也是由多質(zhì)量粒子組成系統(tǒng)的不變質(zhì)量(即不變能量)。
在量子力學(xué)中，量子系統(tǒng)的能量由一個(gè)稱為哈密頓算符的自伴算符來(lái)描述，此算符作用在系統(tǒng)的希爾伯特空間(或是波函數(shù)空間)中。若哈密頓算符是非時(shí)變的算符，隨著系統(tǒng)變化，其出現(xiàn)概率的測(cè)量不隨時(shí)間而變化，因此能量的期望值也不會(huì)隨時(shí)間而變化。量子場(chǎng)論下局域性的能量守恒可以用能量-動(dòng)量張量運(yùn)算子配合諾特定理求得。由于在在量子理論中沒(méi)有全域性的時(shí)間算子，時(shí)間和能量之間的不確定關(guān)系只會(huì)在一些特定條件下成立，與位置和動(dòng)量之間的不確定關(guān)系作為量子力學(xué)基礎(chǔ)的本質(zhì)有所不同(見(jiàn)不確定性原理)。在每個(gè)固定時(shí)間下的能量都可以準(zhǔn)確的量測(cè)，不會(huì)受時(shí)間和能量之間的不確定關(guān)系影響，因此即使在量子力學(xué)中，能量守恒也是一個(gè)有清楚定義的概念。
能量守恒定律是許多物理定律的特征。以數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，能量守恒是諾特定理的結(jié)果。如果物理系統(tǒng)在時(shí)間平移時(shí)滿足連續(xù)對(duì)稱，則其能量(時(shí)間的共軛物理量)守恒。相反的，若物理系統(tǒng)在時(shí)間平移時(shí)無(wú)對(duì)稱性，則其能量不守恒，但若考慮此系統(tǒng)和另一個(gè)系統(tǒng)交換能量，而合成的較大系統(tǒng)不隨時(shí)間改變，這個(gè)較大系統(tǒng)的能量就會(huì)守恒。由于任何時(shí)變系統(tǒng)都可以放在一個(gè)較大的非時(shí)變系統(tǒng)中，因此可以借由適當(dāng)?shù)闹匦露x能量來(lái)達(dá)到能量的守恒。對(duì)于平坦時(shí)空下的物理理論，由于量子力學(xué)允許短時(shí)間內(nèi)的不守恒(例如正-反粒子對(duì))，所以在量子力學(xué)中并不遵守能量守恒。
能量守恒定律根據(jù)諾特定理，表達(dá)了連續(xù)對(duì)稱性和守恒定律的對(duì)應(yīng)。守恒定律是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所必須遵守的最基本的法則，它已成為物理學(xué)中一個(gè)最普遍而深刻的觀念。例如，物理定律不隨著時(shí)間而改變，這表示它們有關(guān)于時(shí)間的某種對(duì)稱性。諾特定理和量子力學(xué)深刻相關(guān)，因?yàn)樗鼉H用經(jīng)典力學(xué)的原理就可以辨別和海森堡不確定性原理相關(guān)的物理量(譬如時(shí)間和能量)。對(duì)于時(shí)間平移的不變性給出了著名的能量守恒定律。
時(shí)空表現(xiàn)為均勻和各向同性的，坐標(biāo)系原點(diǎn)的平移和坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)都是對(duì)稱變換，它們構(gòu)成非齊次洛倫茲群，又稱龐加萊群。在龐加萊群中，與平移生成元對(duì)應(yīng)的物理量為能量-動(dòng)量矢量。能量、動(dòng)量守恒以及角動(dòng)量守恒與時(shí)空均勻性和各向同性直接相關(guān)，它不依賴于物質(zhì)的具體內(nèi)容。不論是微觀的還是宏觀的，是粒子還是場(chǎng)，所有在均勻和各向同性的時(shí)空中運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)都遵守能量、動(dòng)量和角動(dòng)量的守恒律 。
能量守恒定律解釋
熱力學(xué)第一定律的思想最初是由德國(guó)物理學(xué)家J.邁爾在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于1842年提出來(lái)的。在此之后，英國(guó)物理學(xué)家J.焦耳做了大量實(shí)驗(yàn)，用各種不同方法求熱功當(dāng)量，所得的結(jié)果都是一致的。也就是說(shuō)，熱和功之間有一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。以后經(jīng)過(guò)精確實(shí)驗(yàn)測(cè)定得知1卡=4.184焦。1847年德意志科學(xué)家H.亥姆霍茲對(duì)熱力學(xué)第一定律進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述并明確指出：“能量守恒定律是普遍適用于一切自然現(xiàn)象的基本規(guī)律之一。” 到了1850年，在科學(xué)界已經(jīng)得到公認(rèn)。
確認(rèn)作為守恒量的能量的存在始于17世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)G.萊布尼茨觀測(cè)到地球重力場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)能量(mv2/2+mgh)守恒。焦耳從19世紀(jì)40年代起，確認(rèn)熱只是能量存在的一種形式，為熱力學(xué)第一定律奠定了基礎(chǔ)。1905年愛(ài)因斯坦把能量與物質(zhì)的靜止質(zhì)量聯(lián)系起來(lái)，給出了著名的質(zhì)能關(guān)系式。為了解釋β衰變過(guò)程中“消失掉”的那一部分能量，W.泡利提出，必然還有一種未被認(rèn)識(shí)的粒子。后來(lái)E.費(fèi)米把這種粒子命名為中微子，把那一部分“消失掉”的能量又找了回來(lái)。
熱力學(xué)第一定律確認(rèn)：任何系統(tǒng)中存在單值的態(tài)函數(shù)——內(nèi)能，孤立系統(tǒng)的內(nèi)能恒定。一個(gè)物體的內(nèi)能是當(dāng)物體靜止時(shí)，組成該物體的微觀粒子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能以及它們之間的相互作用勢(shì)能的總和。宏觀定義內(nèi)能的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是，系統(tǒng)在相同初終態(tài)間所做的絕熱功數(shù)值都相等，與路徑無(wú)關(guān)。由此可見(jiàn)，絕熱過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)所做的功只與系統(tǒng)的某個(gè)函數(shù)在初終態(tài)之間的改變有關(guān)，與路徑無(wú)關(guān)。這個(gè)態(tài)函數(shù)就是內(nèi)能。它可通過(guò)系統(tǒng)對(duì)外界所做的絕熱功As加以定義：U2-U1=-As，式中的負(fù)號(hào)表示對(duì)外做功為正功。功的單位是焦耳。在一個(gè)純粹的熱傳遞過(guò)程中，可用系統(tǒng)的內(nèi)能改變來(lái)定義熱量及其數(shù)值，即Q=U2-U1，這里定義系統(tǒng)吸熱為正(Q大于0)。熱量的單位也是焦耳。
熱量和功都是過(guò)程量，只當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)改變時(shí)它們才會(huì)出現(xiàn)，它們的數(shù)值不僅與過(guò)程的初終態(tài)有關(guān)，還與過(guò)程經(jīng)歷的路徑有關(guān)。功和熱量都是內(nèi)能改變量的量度，說(shuō)明它們之間應(yīng)存在某種相當(dāng)性，歷史上把這種相當(dāng)性的數(shù)值表示稱為熱功當(dāng)量。
熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律對(duì)非孤立系統(tǒng)的擴(kuò)展。此時(shí)能量可以以功W或熱量Q的形式傳入或傳出系統(tǒng)。
闡述方式：
1. 物體內(nèi)能的增加等于物體吸收的熱量和對(duì)物體所作的功的總和。
2. 系統(tǒng)在絕熱狀態(tài)時(shí)，功只取決于系統(tǒng)初始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)的能量，與過(guò)程無(wú)關(guān)。
3. 孤立系統(tǒng)的能量永遠(yuǎn)守恒。
4. 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)絕熱循環(huán)，其所做的功為零，因此第一類永動(dòng)機(jī)是不可能的(即不消耗能量做功的機(jī)械)。
5. 兩個(gè)系統(tǒng)相互作用時(shí)，功具有唯一的數(shù)值，可以為正、負(fù)或零。
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