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第三章 热力学定律
3.3 能量守恒定律
该“饮水小鸭”不是永动机,小鸭的头和身由两个玻璃球构成,并通过细玻璃管相连.下球盛有一些乙醚,上球连同尖嘴被吸水毛毡包起来.小鸭头部的毛毡“饮水”后,水蒸发导致头部温度降低,上段玻璃管中的乙醚蒸气被液化，压强减小,液柱上升(图甲),小鸭重心上移,直到小鸭倾倒,处于倾倒位置的小鸭,头部再次被浸湿,同时上下玻璃球内的气体相通,压强相等,乙醚流回下玻璃球内(图乙),
重心下移,小鸭站立,如此循环往复,实际上,
小鸭在此过程中从周围环境中吸收了热量，
才得以持续工作下去,
探索能量守恒的足迹
人类对能量的认识 能量的概念是人类在对物质运动规律进行长期探索中建立起来的。所有自然现象都涉及能量，人类的任何活动都离不开能量。能量具有不同的形式，有描述热运动的内能、描述机械运动的机械能、描述光辐射的光能，等等。不同形式的运动都可以用能量来描述也就是说，我们可以用能量的观念把热、电、光、磁等都统一起来描述。但是，在科学史上人们真正以“能量”的观念来探索各种运动形式本质的过程却是非常曲折的。
不同形式的能
内能
机械能
光能
电能
在认识自然的进程中，科学家慢慢知道了要用联系的观点去观察自然。例如，机械能的各种形式之间可以相互转化，电和磁可以相互转化，热和电也可以相互转化……
下表列出了自18世纪末至19世纪中叶来自不同国家和地区、不同领域的科学家，以不同的方式，完成了关于能量转化的研究成果。
能量之间的转化
风能转化为电能
电能转化为内能
太阳能转化为电能
化学能转化为电能
能量守恒观念的形成
能量守恒观念的形成 由于能量既抽象又以各种不同的形式广泛存在，所以能量守恒思想的萌芽及产生并不是一蹴而就的。从各种实验的验证，再到实验结果的被质疑科学家们付出了大量的努力。应该说，人类对能量的认识过程，体现了科学前辈们对“守恒”这一科学思想的追寻。从18世纪末到19世纪中叶，不同领域的科学家从不同角度都提出过能量守恒的思想。人类对能量守恒的认识经历了一个由浅人深、由含糊到清晰的过程。
俄国化学家盖斯的研究发现，任何一个化学反应，不论是一步完成，还是分几步完成，放出的总热量相同。这表明一个系统 (即参加化学反应的几种物质)存在着一个与热量相关的物理量，在一个确定的化学反应中这个量是不变的。
焦耳的实验精确地测量了做功与传热之间的等价关系从而为能量守恒定律奠定了牢固的实验基础，也为能量守恒的定量描述迈出了重要的一步。
德国医生迈尔通过比对不同地区人血颜色的差异，认识到食物中化学能与内能的等效性，即生物体内能量的输入和输出是平衡的。另外，他还通过海水在暴风雨中较热的现象，猜想热与机械运动的等效性。他在1841年和1842年连续写出“论‘自然力’(指能量) 守恒”的论文，并算了多少热与多少功相当。因此，迈尔是公认的第一个提出能量守恒思想的人。
俄国化学家盖斯的研究发现，任何一个化学反应，不论是一步完成，还是分几步完成，放出的总热量相同。这表明一个系统 (即参加化学反应的几种物质)存在着一个与热量相关的物理量，在一个确定的化学反应中这个量是不变的。
半个多世纪人类对能量以及能量守恒研究的历史，预示着人们把各分立的领域连成一体的时刻已经到来，也就是到了建立能量转化与守恒定律的时候了。
能量守恒定律
在力学中，当系统只有重力和弹力做功时，系统的动能与势能会发生相互转化，而动能与势能的总量保持不变，这就是机械能守恒定律。
在热力学领域内，做功和传热可以改变系统的内能即系统内能与系统外的能量会发生转化或转移，但能的总量不会改变。热力学第一定律，实际上就是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律。
能量守恒定律可以表述为：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
能量守恒是自然界的普遍规律。根据能量守恒定律物理学发现和解释了很多科学现象。
但是在能量守恒定律发现之后，曾有人怀疑某种过程'能量不守恒”。但是，进一步研究又发现，原来是漏掉了人类尚不认识的一种能量。如果把这种能量计算在内，总能量依然守恒。在20世纪30年代初，奥地利物理学家泡利根据能量守恒定律预言了中微子。这个预言后来得到了证实。能量守恒定律经受住了新的检验。
能量守恒定律的发现是科学史上的重大事件。恩格斯把它与细胞学说、生物进化论一起列为19世纪的三大发现。它是自然科学长期发展和进步的结果，是普遍、和谐可靠的自然规律之一。
1. 能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。
2. 能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。
3. 自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。
4. 机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。
能量守恒定律的意义
永动机不可能制成
“问题”栏目中的饮水小鸭不是永动机。小鸭的头和身由两个玻璃球构成，并通过细玻璃管相连。下球感有一些乙醚，上球连同尖嘴被吸水毛毡包起来。那么，它是靠什么来维持工作的呢
原来小鸭头部的毛毡“饮水”后，水蒸发导致头部温度降低。上段玻璃管中的乙醚蒸气被液化，压强减小，液柱上升(图3.3-1甲)，小鸭重心上移直到小鸭倾倒。处于倾倒位置的小鸭，头部再次被浸湿，同时上下玻璃球内的气体相通，压强相等，乙醚流回下玻璃球内(图3.3-1乙)，重心下移，小鸭站立。如此循环往复。实际上，小鸭在此过程中从周围环境中吸收了热量，才得以持续工作下去。
这种永动机是在一个轮子的边缘等距离地安装12根活动短杆，杆端分别套上一个重球，无论轮子转到什么位置，右边的各个重球总比左边的各个重球离轴心更远一些.
设想，右边甩过去的重球作用在离轴较远的距离上，就会迫使轮子按照箭头所示的方向永不停息地旋转下去，至少转到轮轴磨坏时为止，但是，实际上轮子在转动过程中会不可避免地受到空气阻力、转轴摩擦力等阻力，使转轴转动一段时间后就停了下来，在这种永动机的设计中，我们总可以找到一个平衡位置，在这个位置上，各个力恰好相互抵消，不再有任何推动力使它运动，永动机必然会在这个平衡位置上静止下来，变成不动机.
任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为机械能。内燃机把燃料的化学能转化为燃气的内能然后再转化为机械能，电动机把电能转化为机械能……如果没有燃料电流或其他动力的输入，能量从哪里来呢! 永动机的思想违背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。
永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机。
(人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机)。
应该指出的是，制造永动机的千万次失败使人们的头脑冷静下来，开始在更深层次寻找失败的原因。1775年法国科学院宣布“不再审查有关永动机的一切设计”。这使得人们走出迷梦，去研究各种能量形式相互转化的规律，促成了能量守恒定律的建立。曾任中国物理学会理事长的冯端教授指出：除了要为焦耳、亥姆霍兹和迈尔这些作出杰出贡献的科学家树碑立传外，还应建立一个无名英雄纪念碑，其上最合适的铭文将是“纪念为实现永动机奋斗而失败的人们”。这是因为人类在探索自然规律的过程中必然有各种假设，虽然后来发现某些假设是错误的，但正是前人的失败才使后人的思考走上了正确的道路。
课外拓展
著名科学家达·芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮。在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论。他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的.他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！”
螺旋永动机
17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”，转轮直径达4.3米，有40个各重23千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的。
滚球永动机
19世纪有人设计了一种特殊机构，它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转轮只能停止在原地。
软臂永动机
1681年，英国有一位著名的医生弗拉德提出一个建议，利用阿基米得螺旋把水池的水提到高处，再让升高的水推动水轮机，水轮机除了带动水磨做功以外，还可使阿基米得螺旋转不断提水，如此周而复始，不就可以无需担心天旱水枯了吗？一时间，响应他的人大有人在，形形色色的自动水轮机陆续提出，竟出现了热潮。
螺旋永动机
大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。A是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没有建立库仑定律，不知道磁力大小是与距离的平方成反比变化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。
磁力永动机
练习与应用
1. 下面的设想符合能量守恒定律吗 请简述理由。
(1) 利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械。
解：不符合能量守恒定律，永久磁铁间的作用力可以使机械转动起来，但不能使这台机械永远转动，这是因为，永久磁铁间的作用力可以使磁场能转化为动能，但要获得持续的动能，仍需要从外界补充能量.
(2) 造一条没有动力系统的船在水面上行驶。
解：不符合能量守恒定律. 如果船没有提供动力的系统 (例如利用风力或人力)，那么它无法获得动能，将不能在水面上行驶.
(3) 通过太阳照射飞机，使飞机不带燃料也能飞行。
解：符合能量守恒定律，可以在飞机上安装光能发电机，先将光能转化为电能，再利用电能使飞机飞起来，目前这个方案已经成为现实了.
2. 有一个 500 mL 的饮料罐，其标签上注有“180kJ/100mL”的能量参考值。请你估算这瓶饮料的能量相当于一个成年人爬多少层楼所做的功。
解：这瓶 500 mL 的饮料能提供的总能量
E＝×500 J＝9×105J，
一个成年人的体重约 60 kg，每层楼高约 3 m，若这瓶饮料的能量相当于该成年人爬 n 层楼所做的功，则应有 E＝nmgh，
故 n＝＝500，即相当于成年人爬 500层楼所做的功。
3. 为测算太阳射到地面的辐射能，某校科技实验小组的同学把一个横截面积是 300 cm 的矮圆筒的内壁涂黑，外壁用保温材料包裹，内装水0.6 kg。让阳光垂直圆筒口照射 2 min 后，水的温度升高了 1 ℃。请由此估算在阳光直射时地面上每平方米每分钟接收的太阳能量。水的比热容 c 为4 .2×103J/(kg·℃)。
解：圆筒内的水经过 2 min 增加的内能为 U＝cm t＝2.52×103J，圆筒的横截面积为 S＝3×10－2m2，则地面上每平方米每分钟接收到的太阳能量 E＝＝4.2×104J.

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