能量转化和守恒定律的发现和应用

王梅华

【摘 要】本文主要阐述了能量转化和守恒定律的发现及简单的应用。

【关键词】能量转化 守恒定律

能量是物质运动的一个最基本的量度，是人们研究客观世界的主要对象之一。研究物质运动就是要研究各种形式的能量及转化规律。19世纪中期发现的能量转化和守恒定律，深刻地揭示了自然界物质运动变化发展的规律，被恩格斯称为伟大的运动基本定律，19世纪自然科学三大发现之一。

一、能量转化和守恒定律是怎样发现的？

任何科学理论的建立都要经过实验结果的不断积累阶段和认识上提高或飞跃两个阶段。能量守恒定律的发现过程也是如此。第一阶段，从古代发现摩擦生热、摩擦取火到18世纪蒸汽机的发明以及其他运动形式及其相互转化的发现。在这一阶段，人们已经在长期的生产实践和技术改革中解决了机械运动和热之间相互转化的问题，也发现了光、电、磁、热等运动形式的互相转化现象。尤其到18世纪末19世纪初，运动形式的互相转化的事实越来越多。1780年意大利的伽伐尼发现，火花放电或雷雨能使蛙腿筋肉收缩，这是电的生物学效应。1800年意大利的伏打把两种不同的金属片叠起来，产生了电；还把铜片和锌片浸入硫酸溶液中，把这两片金属与导线连成回路也能产生电流。这是化学运动转化为电流运动。

第二阶段是认识的提高和飞跃。对能量守恒定律的发现来说，它包含了对陈旧观念的废除和新的认识的建立两个方面。这一阶段出现在19世纪中期。在此以前形成上学的“热素说”观点支配着人们的认识，各种运动形式被隔裂开来，割断了它们之间的本来联系。因而阻碍人们深入认识事物的本质。所以，当时尽管已经产生了运动不灭的思想，如法国哲学家笛卡尔在1644年“哲学原理”中总结出“运动量恒”的观点，1746年俄国科学家罗蒙诺索夫从热现象的研究中也曾发现过物质守恒，运动不灭的思想，但都未能最终发现这个定律。这主要由于科学家实验尚未积累起足够的实践认识，也由于传统观念束缚住人们的头脑。到19世纪中叶，情况起了很大的变化。一方面积累了大量能量转化的实验事实，其中有些还直接反驳“热素说”，如18世纪末英国的伦福德在金属钻孔的多次实验中，发现热素不可信，卡诺在提高蒸汽机效率时也感到有一部分热转化为功；另一方面由于当时工业革命日益发展，涌现出一批有远见富于创新精神的科学家，德国的迈尔就是其中一员。迈尔没有盲目地跟从热素说，而是批判地吸收了前人的工作成果，把各种能量（当时叫“自然力”）列成一个表，分析 了它们之间相互转化的25种情况，在认真整理前人实验结果的基础上，抛弃了陈旧的热素说。1840年迈尔作为一个随船医生到爪哇去旅行，在抽病人的血液时，发现从血管中取的血都有一种异常鲜明的红色。这种红色素是血液中进行氧化作用的产物，这就使他考虑到正是由于食物在体内氧化放出大量的热，一方面使人维持正常体温，一方面又给人进行各种活动提供了能源。

二、能量转化和守恒定律的应用

能量转化和守恒定律是人类科学技术的理论支柱之一，它既是人们认识客观过程的有效工具，又是我们开发新能源的可靠依据，它还是指导我们为特殊的目的实现多种形式的转化。

这一伟大的定律是人们深刻认识客观过程的准绳之一。在千变万化的物质运动中，总要寻求一些不变量以联系事物的始末态，能量就是这样的不变量之一，能量形式可变，但量上守恒。这使我们可以解决许多实际问题，无论是动动与势能的转化，还是机械能、热能、电能、光能之间的相互转化，对一个系统来说，经过一个过程，初始能量加上外界能量总等于系统末了的能量加上耗散的能量，在物理教学中所用的一些能量守恒的具体表达式，都表示这个意思。从这类表达式可以解出不同的未知量，解决科学技术工程上各种问题。这一定律使我们能在人类已认识的范畴内分析和解决问题，同时它还帮助我们在尚未认识的范畴内发现新的物质过程。

除了为获取能量的目的而提高效率开发新能源之外，人们还广泛应用能量转化和守恒定律，创造一定的条件，实现能量的转化，以达到某些特殊的应用目的。如为信息探测和传递的目的，人们研制了红外探测器，探测目标物的微弱的红外辐射，把满载信息的红外辐射转化为电讯号，从而显示出来，人们还研究光通讯技术，把信息转换为光能，借助于光来传播信息。随着激光技术的发展，光热转化又获得某些特殊的应用，如激光打孔、焊接、切割、激光手术、激光退火、激光武器等等。

三、对能量转化和守恒定律的认识

能量守恒和转化定律是一条自然界遵循的基本规律，一个多世纪以来已在各方面获得广泛的应用，但关于这条定律的哲学认识则是不断深化的。首先，能量守恒，不仅是量上守恒，在转化过程中能量不会创生不会消灭。不承认这一点就会导致荒谬的结论。19世纪克劳修斯从热力学第二定律所得到的“宇宙热寂说”就是一个典型的例证。他认为一切现存的运动都将变为热，但这种热却不会再转化为别种形式的能量。它不但不能集中起来，相反这些热会不断地散发到宇宙空间中去，使宇宙达到统一温度而处于死寂状态，用克劳修斯的话说就是：“这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态。”可见，运动的转化能量一旦丧失，运动也就消灭了。实际上，能量转化的完整意义是指任何运动形式都具有转化为它种运动形式的能力，宇宙其他运动形式转化为热，热也就一定会自己转化为别种形式的运动，发散的热会以某种形式在有限空间范围内集中起来，即所谓“反熵”过程在宇宙中时必定存在的。关于宇宙间“黑洞”的研究，正时研究这种能量集中状态。所以，能量转化和守恒定律不仅表示运动的量在转化过程中不灭，而且表示各种运动形式转化能力永远不会消灭。