高中物理热力学定律第2节能量的转化与守恒能量守恒的发展与历史素材鲁科版选修33

1、能量守恒的发展与历史内世界是由运动的物质构成的，物质的运动形式多种多样,并在不断互相转化正是在研究运动形式转化的过程中，人们逐渐建立起了功和能的概念能是物质运动的普遍量度,而功是能量变化的量度。这种说法概括了功和能的本质，但哲学味道浓了某些在物理学中，从9世纪中叶产生拼十年寒窗挑灯苦读不畏难；携双亲期盼背水勇战定夺魁。如果你但愿成功,以恒心为良友,以经验为参谋,以小心为兄弟,以但愿为哨兵。的能量定义:“能量是物体做功的本领”，始终延用至今但近年来不管在国外还是国内,物理教育界却对这个定义与否妥当展开过争论于是许多物理教材,例如现行的中学教材，都不给出能量的一般定义,而是根据上述定义的思想，即物体在某一状态下的能量,是物体由这个状态出发,尽其所能做出的功来给出多种具体的能量形式的操作定义（用量度措施替代定义)。能量概念的形成和初期发展,始终是和能量守恒定律的建立过程紧密有关的由于对机械能、内能、电能、化学能、生物能等具体能量形式结识的发展，以及它们之间都能以一定的数量关系互相转化的逐渐被发现，才使能量守恒定律得以建立这是一段以百年计的漫长历史过程随着科学的发展,许多重大的新物理现象，如物

2、质的放射性、核构造与核能、多种基本粒子等被发现，都只是给证明这一伟大定律的对的性提供了更丰富的事实尽管有些现象在发现的当时似乎形成了对这一定律的冲击,但最后仍以这一定律的完全胜利而告终。 能量守恒定律的发现告诉我们,尽管物质世界千变万化,但这种变化决不是没有约束的，最基本的约束就是守恒律也就是说，一切运动变化无论属于什么样的物质形式，反映什么样的物质特性，服从什么样的特定规律,都要满足一定的守恒律物理学中的能量、动量和角动量守恒,就是物理运动所必须服从的最基本的规律与之相较,牛顿运动定律、麦克斯韦方程组等都低了一种层次。1定律的经验性表述永动机是不也许导致的（175124）很早此前,人类就开始运用自然力为自已服务,大概到了十三世纪，开始萌发了制造永动机的愿望。到了十五世纪,伟大的艺术家、科学家和工程师达芬奇(Lonardoinci 145119），也投入了永动机的研究工作。她曾设计过一台非常巧妙的水动机，但造出来后它并没永动下去。147年,达芬奇认真总结了历史上的和自己的失败教训,得出了一种重要结论:“永动机是不也许导致的。”在工作中她还结识到，机器之因此不能永动下去，应与摩擦有关。于

3、是，她对摩擦进行了进一步而有成效的研究。但是，达芬奇始终没有,也不也许对摩擦为什么会阻碍机器运动作出科学解释,即她不也许意识到摩擦(机械运动)与热现象之间转化的本质联系。此后,虽然人们还是致力于永动机的研制，但也有一部分科学工作者相继得出了“永动机是不也许导致的”结论，并把它作为一条重要原理用于科学研究之中。荷兰的数学力学家斯台文(mnSevin154816）,于1586年运用这一原理通过对“斯台文链”的分析,率先引出了力的平行四边形定则。伽俐略在论证惯性定律时也应用过这一原理。尽管原理的运用已获得了如此明显的成绩，但人们研制永动机的热情不减。惠更斯(Huygs162919)在她173年出版的摆式时钟一书中就反映了这种观点。书中,她把伽俐略有关斜面运动的研究成果运用于曲线运动，从而得出结论:在重力作用下,物体绕水平轴转动时，其质心不会上升到它下落时的高度之上。因而,她得出用力学措施不也许制成永动机的结论；但她却觉得用磁石大概还是能造出永动机来的。针对这种状况，7年,巴黎科学院不得不宣布:不再受理有关永动机的发明。历史上,运用“永动机是不也许制成”的这一原理在科研上获得最辉煌成就的是法国

4、青年科学家卡诺（sadi arot 19618)。184年,她将该原理与热质说结合推出了出名的“卡诺定理”。定理为提高热机效率指明了方向,也为热力学第二定律的提出奠定了基本。但这里要特别强调的是，卡诺虽然将永动机不能导致的原理运用于热机，但她的思想措施还是“机械的”。她在论证时将热从高温热源向低温热源的流动同水从高处向低处流动类比，觉得热推动热机作功就像水推动水轮机作功同样，水和热在流动中并无任何损失。可见,从15年达芬奇提出“水动机是不也许导致的”起到1824年卡诺推出“卡诺定理”止,原理只能在机械运动和“热质”流动中运用,它远不是现代意义上的能量的转化和守恒定律，它只能是机械运动中的能量守恒的经验总结,是定律的原始形态。18年,亥姆霍兹(Helmlolt11189)在回忆她研究力的守恒律的起因时说:“如果永动机是不也许的话，那么在自然条件下的不同的力之间应当存在什么样的关系呢?并且，这些关系事实上与否真正存在呢？”可见,“永动机是不能导致的”还很肤浅，要结识它的深刻的内涵，还须人们付出艰苦的劳动。定律的初期表述力的守恒（184850)“能量的转比和守恒定律”的提出必须建立在14三个

5、基本之上：对热的本质的对的结识；对物质运动的多种形式之间的转化的发现;相应的科学思想。到十九世纪，这三个条件都具有了。78年，伦福特（C umod 1531814)向英国皇家学会提交了由炮筒实验得出的热的运动说的实验报告。18，戴维(DHDay 17829）用真空中摩擦冰块使之溶化的实验支持了伦福特的报告。8,托马斯杨(homasYoug178)在论光和色的理论中，称光和热有相似的性质，强调了热是一种运动。从此，热的运动说开始逐渐取代热质说。十八世纪与十九世纪之交,多种自然现象之间的互相转化又相继发现：在热向功的转化和光的化学效应发现之后,1发现了红外线的热效应。电池刚发明，就发现了电流的热效应和电解现象。1,发现电流的磁效应，183年发现电磁感应现象。18发现热电现象，83年发现其逆现象。等等。世纪之交,把自然当作是“活力”的思想在德国发展成为“自然哲学”。这种哲学把整个宇宙视为某种本源性的力的发现而引起的历史发展的产物。由这种观点看来,一切自然力都可以看作是一种东西。当时，这种哲学思想在德国和西欧某些国家占有支配地位。这时,力的守恒原理的提出就势在必行了。历史上，最早提出热功转换的

6、是卡诺。她觉得:“热无非是一种动力，或者索性是转换形式的运动。热是一种运动。对物体的小部份来说，如果发生了动力的消灭,那么与此同步,必然产生与消灭的动力量严格成正比的热量。相反地,在热消灭之处，就一定产生动力。因此可以建立这样的命题：动力的量在自然界中是不变的，更确切地说,动力的量既不能产生,也不能消灭。”同步她还给出了热功当量的粗略值。可惜,卡诺的这一思想是在她死了4年后来的1878年才被人们发现的。而这之前的184年，德国的迈耳(RMr1487)最先刊登了比较全面的力的守恒的论文论无机界的力。文中她从“自然哲学”出发,以思辩的方式,由“因素等于成果”的因果链演释出二十五种力的转化形式。845年，她还用定压比热容与定容比热容之差：C-Cv=R，计算出热功当量值为1卡等于36gm。184年,英国实验物理学家焦耳(JPJue 8181889)在哲学杂志上刊登了她测量热功当量的实验报告。此后,她还进行了更多更细的工作,测定了更精确的当量值。180年，她刊登的成果是：“要产生一磅水（在真空中称量,其温度在55和6之间）增长华氏1的热量，需要消耗72英磅下落一英尺所示的机械功。”焦耳的工作，为

7、“力的守恒”原理奠定了坚实的实验基本。德国科学家亥姆霍兹于847年刊登了她的著作论力的守恒。文中，她提出了一切自然现象都应用中心力互相作用的质点的运动来解释由此证明了活力与张力之和对中心力守恒的结论。进面，她还讨论了热现象、电现象、化学现象与机械力的关系，并指出了把“力的守恒”原理运用到生命机体中去的也许性。由于亥姆霍兹的论述方式很有物理特色，故她的影响要比迈耳和焦耳大。虽然,到此为止，定律的发现者们还是把能量称作“力”;并且定律的表述也不够精确,但实质上她们已发现了能量的转化和守恒定律了。将两种表述比较，可以看出:“力的守恒”比“永动机不能导致”要深刻得多。“力的守恒”波及的是当已结识到的物质的一切运动形式;同步，它是在一定的哲学思想指引下(迈耳)，在实验的基本上（焦耳），用公理化构造（亥姆霍兹)建立起的理论。如果目前仍用“永动机不能导致”来表述定律的话，那已赋予它新的内涵了,即目前的机器可以是机械的,也可以是热的,电磁的、化学的,甚至可以是生物的了；同步，永动机不能永动的因素也得到揭示。此外,也要看到,“力的守恒”原理虽然有焦耳的热功当量和电热当量的关系式，尚有亥姆霍兹推出的多种关

8、系式,但它们都是各自独立的，还没能用一种统一的解析式来表述。因此“力的守恒”还是不够成熟的。3定律的解析表述热力学第一定律（1850875）要对定律进行解析表述,只有对“热量”、“功”、“能量”和“内能”这些概念的精拟定义才行。“热量”的慨念早在十八世纪就给出了,就是热质的量。9年,蓬斯莱(JV Ponele178867）在研究蒸汽机的过程中,明拟定义了功为力和距离之积。而“能量”的概念则是7，J伯努力（JBenulli 618）在论述虚位移时就采用过了的。托马斯扬于18就把力称为能量,用过了的。托马斯扬于就把力称为能量，由此定义了扬氏模量。但她们的定义始终未被人们接受,难怪迈耳、焦耳和亥姆霍兹还用“力”来称为能量。这对定律的表述极不利，再加上热质说的影响还远未肃清,因此“力的守恒”原理始终不为大多数人所接受。固然，也有一批有识之士结识到定律的重大意义并为它的完善进行了卓有成效的工作。其中最出名的是英国的W汤姆孙（WThomsn18241907)和德国的克劳修斯(RCluius 1221888）正是她们在前人的基本上提出了热力学第一和第二定律，由此建立了热力学理论体系的大厦。80年，克

9、劳修斯在德文版物理学和化年报第7卷上，刊登了论热的动力和能由此推出的有关热学自身的定律的论文。文中指出:卡诺定理是对的的,但要用热运动说并加上此外的措施证明才行。她觉得,单一的原理即“在一切由热产生功的状况,有一种和产生功成正比的热量被消耗掉,反之，通过消耗同样数量的功也能产生这样数量的热。”是不够的;还得加上一种原理即“没有任何力的消耗或其他变化的状况下,就把任意多的热量从一种冷体移到热体，这与热素来的行为相矛盾。”来论证。她说,只有这佯，才干把热当作一种状态量。接下来她作了如下的十分重要的工作：对于永久气体，下式成立：p=R（273+t） （1）是压力，V是单位质量的体积,t是摄氏温度。再考虑微小的卡诺循环，可由(1)式得出这一过程中所做的功为:同步也可计算这一过程消耗的热量:设热功当量的系数为A,应用焦耳原理，由(2)和(3）得：这时克劳修斯引进了一种新的态函数，（4)式变为：对于这个新的态函数,她指出“其性质有如人们一般所说的那样,假定它为总热量,是一种和t的函数，由变化的过程的初态和终态完全拟定。”U=U(V，） （6）就这样,她得出了热力学第一定律的解析式:dQ=ddW (7）我们懂得，一种知识领域只有发展到了揭示和把握对象的规定和量的联系时,也就是当用上了数学工具时，它才真正成为了一门科学。因此，只有到了这个时候,能量的转化和守恒定律才同热力学第二定律的熵的表述一起构成了热力学的理论体系的基本。18年,W汤姆孙重新提出了能量的定义。她是这样说的：“我们把给定状态中的物质系统的能量表达为:当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一种固定的零态时，在系统外所产生的用机械功单位来

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