地球上的能量是如何守恒的！！
1.蒸汽机的早期发展
瓦特蒸汽机示意图
1-锅炉双缸三活塞
4-双向进排气管5-废气冷凝器
6—排气泵7—冰池8—摇杆
热力学第一定律是能量守恒和转化定律。它的诞生是以一定的社会物质生产条件为基础的。蒸汽机的诞生、改进和广泛应用，以及关于蒸汽机中能量转换的讨论，是能量矢量不变原理的重要桥梁之一。
很久以前，人们就知道热和蒸汽可以发电。在古代中国和古希腊，就有将热能转化为机械能的小装置。中国流传至今的“走马灯”也是一项古老的发明。
16和17世纪，是资本主义的萌芽时期，煤作为一种廉价高效的热粒子被广泛使用。
它促进了煤矿工业的发展，并为解决矿业排水问题提出了蒸汽动力的要求。
到1690，法国人丹尼斯？帕彭(1647—1712)在德国做了第一个带活塞和气缸的。
实验汽轮机。这台机器是在莱布尼茨思想的启发下设计出来的，可以说是现代蒸汽机的雏形。
1696英国工程师托马斯？萨维里(1650—1715)提出了一种叫做“矿工之友”的蒸汽泵。
，用于矿井抽水。
1705年，英国的纽科门(1663-1729)结合了帕本和萨弗里发明的优点，创造了大气压公式。
蒸汽机，并于1712开始在全国的煤矿和金属矿应用。
英国的詹姆斯对蒸汽机的改进做出了巨大贡献？瓦特(1736—1819)。在父亲的影响下，瓦特逐渐获得了制造机器的天赋。后来，瓦特在格拉斯哥大学开的一家修理厂当机械师。他修理了许多纽科门蒸汽机，这使他对蒸汽动力感兴趣。他在1759年开始了一系列关于蒸汽动力的实验。1763年，在Blake教授的帮助下，他发现纽科门蒸汽机有相当大的热量浪费，因为每次冲击后活塞冷却时，气缸和活塞也冷却了，然后它们必须为下一次冲击重新加热。他根据布莱克教授的“比热”和潜热理论计算出每台发动机的耗热量。受布莱克的启发，瓦特开始寻找克服这一缺陷的方法。经过多次失败，瓦特终于在1769年制成了“单作用”蒸汽机。比同等功率的纽科曼机左右省煤四分之三。1872年，瓦特做了一台双向蒸汽机。后来瓦特用特殊的齿轮传动机构将活塞的直线运动转化为旋转运动，使这种动力机有了广泛的用途。
1784年，蒸汽机进入批量生产时代。蒸汽技术的成就令人信服地证明了热能转化为机械运动。从古代发现摩擦生热到蒸汽机的出现，热量和机械运动的转化完成了一个循环。因此，蒸汽机的发明和应用为能量守恒原理的确立提供了重要前提。
2.永动机的故障
各种机械装置的成功设计吸引了一大批人，很多人花大力气研究永动机。实现永动机的不可能性是理解能量守恒原理的另一种方式。
亨内克永动机
所谓“永动机”是一种理想的机器，即它在没有任何动力或燃料及其他供应的情况下不断地自动做功。在这种幻想的指引下，很多人提出了各种各样的所谓永动机设计，比如早期最著名的永动机方案，是十三世纪一个叫亨内科的法国人提出的，后来是意大利的莱昂纳多。达？芬奇也创造了一个类似的装置。到了65438+20世纪70年代，意大利的一名机械师斯托里达？斯蒂尔还提出了永动机的设计方案。
此外，已经提出利用轮子的惯性、水的浮力、细管的毛细作用等。
各种获取有效动力的永动机方案无一例外都失败了。1775年，法国科学院不得不做出决议，
声明“本科学院将不再审核所有与永动机相关的计划”。这说明当时的科学界已经意识到永动机是做不出来的。
莱昂纳多？达？芬奇的装置
永动机的失败从反面说明了自然界有一个普遍规律在制约着人。不付出代价是不可能从大自然中拿出可用的有效力量的。人们只能根据各种自然力相互转化的具体条件，以一定的价格有效利用大自然提供的各种能量。德国著名物理学家、生物学家亥姆霍兹从永动机无法实现的事实出发，研究发现了能量守恒原理。
3.相关知识的准备
热力学第一定律所需要的基本概念是很久以前逐渐形成的。1686年，根据落体定律，莱布尼茨将其引入机械运动范围。
斯泰尔永动机
1-水箱2-水轮3-蓄水池
4螺杆泵5驱动机床
引入“活力”的概念，将mv2作为运动的度量，现在称之为动能。能量的概念是托马斯？杨在他的著作《自然哲学讲义》1807中首次提出了这一概念。伽利略使用的“力矩”概念往往包含力与距离乘积的含义。1829庞斯列(1788—1867)在他的《技术力学导论》一书中坚决支持“功”这个术语。瓦特把马的能力和机器的能力进行了比较，确定了功率的单位。1834-1835期间，英国的哈密顿提出了哈密顿原理，引入了新的“力函数”来表示只与相互作用粒子的位置有关的力。在保守力场中，
的哈密顿函数是系统的总机械能。1828格林建立了“势函数”的数学关系线，
并应用于静电学和静磁学的问题。到19的20世纪40年代，高斯的工作使势函数具有了普适性。
应用，使热力学第一定律所需要的基本概念在65438+1940s之前完备。
能量守恒的思想可以追溯到很久以前。伽利略的《论力学和力学》出版于1633
关于局部运动的两种新科学的讨论和数学证明，通过萨尔蒂和其他三个人的谈话，对吗
定量研究了匀加速运动，包括自由落体和物体在斜面上的运动。记载“物体在下落过程中达到的速度，可以使其跳回原来的高度，但不会更高。”
惠更斯在1673年出版的题为《钟摆钟或钟上使用的钟摆运动的几何证明》一书中讨论了钟摆的运动规律，写道:“在重力作用下，物体不能上升到高于其自由落体的高度，这已经包含了重力场中机械能守恒的思想。”1669年，惠更斯意识到碰撞前后各物体质量和速度的平方积之和不变，实际上发现了完全弹性碰撞中的动能守恒定律。
在1695中，莱布尼茨表达了能量守恒原理:力与距离的乘积等于“活力”的增加。
约翰？伯努利(1667—1748)也反复讲过“活力守恒”。他说，“当活力消失时，做功的能力并没有消失，只是变成了其他形式。”丹尼尔呢。伯努利(1770—1782)实际上是将“活力守恒”原理应用于流体的运动，得到了著名的伯努利方程。
欧拉也知道，如果一个质点在一个中心力的作用下运动，当质点与引力中心达到一定距离时，其生命力是一样的。到了公元1800年，人们有了如下命题:在一个相互作用的系统中，生命力只取决于系统的构型，力函数取决于构型。
在1829中，潘塞利还提出了力学过程中的能量守恒原理:“功的代数和的两倍等于活力之和。任何时候，工作和活力都不能从无中产生，也不能把工作或活力转化为无，而只能由无组成。”
当然，这些结论不能视为对机械能守恒定律的明确陈述，但它们包含了能量守恒的意义，并为该定律的最终成立奠定了基础。
4.连接和转换的新发现
18世纪，各种物理现象被分门别类地研究，促进了各个分支的发展，但没有注意到它们之间的相互关系。到18年底和19年初，自然科学取得了一系列重要发现，日益揭示自然现象之间的普遍关系成为这一时期的明显特征。这可以从以下几个方面来解释。
(1)机械运动和热运动的关系
在18世纪的最后两年，伦福德和大卫的摩擦生热实验和热的机械当量的粗略测量，表明了机械运动向热的转化。热机的发明和改进将热能转化为机械能，从而完成了这一转化过程的循环。卡诺对热机效率的研究也触及了“热的机械当量”的问题。
(2)热能和电能之间的转换
1821德国物理学家托马斯？zee bek(1770—1831)发现在两种不同金属的接合处加热会产生电热；如果电路闭合，就会有电流，这就是热电现象。焦耳和冷慈分别在1840和1842发现了电流的热效应，这就是今天所说的焦耳-楞次定律。
(3)电和磁的相互联系和转化
1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，1831年，法拉第发现了它的逆效应，即电磁感应。它揭示了电和磁的内在联系，完成了它们之间相互转化的循环。
(4)化学和生物学研究
拉瓦锡和拉普拉斯很早就知道化学反应热效应的重要性。他们证明了反应过程释放的热量等于其逆反应吸收的热量。18年底，伏打发明了电池，用它电解水和硫酸铜，了解了电和化学的关系。德国化学家尤斯图斯·冯·李比希(1803-1873)设想人体的运动热和它的机械活动能量可能来自食物的化学能。1840年，彼得堡科学院的赫斯得到了化学反应放热的赫斯定律，接触到了化学反应过程中的能量守恒原理。
此外，在1801年，德国的里特发现了太阳光线中的紫外线，并研究了紫外线的化学作用。1839法语e？答？贝克雷尔发现，光照射在稀酸溶液中的金属电极上，可以改变电池的电动势；法拉第在1845年发现，强磁场使光的偏振面发生偏转。这些现象从各个侧面展示了不同运动形式之间的联系和转化。
由于各种自然现象之间的普遍关系已被广泛研究，这一时期的科学家从“自然力的统一”的观点来看待各种能量相互转化的整个网络。正是在这种自然科学观的影响下，西欧四五个国家的许多从事七八种专业的科学家，用不同的实验和方法，独立地计算和测量了热的力学当量，发现了能量守恒和转化定律。
(2)几位科学家的工作
物理学史上正式发表论文，提出能量守恒和转化定律从1842开始，主要由迈耶、焦耳和亥姆霍兹提出。
1.迈耶的作品
伯特·迈耶(1814—1878)是一名德国医生。他出生在一个药剂师家庭。高中毕业后，他去了Tubihen大学学习化学。我遇到了数学家和物理学家Baour，他向我介绍了拉瓦锡的燃烧理论。1840年，迈耶在一艘从荷兰驶往东印度的船上当医生。当船航行到爪哇岛附近时，当他给生病的欧洲船员放血时，他发现静脉血液并不像生活在温带的人那样黑暗，而是像动脉血一样明亮。其他医生告诉他，这是热带地区的普遍现象。他还听船员说，大雨时海水很热，这引起了梅耶的思考。受燃烧理论的启发，他认为人体的体热是通过食物和血液的氧化而释放出来的。在热带高温下，人体只需吸收食物中较少的热量，因此食物在体内的氧化过程减弱，所以流回心脏的静脉血会留下更多的氧气，使静脉血呈鲜红色。雨滴落下时获得生命力并产生热量，所以当风暴落下时，海面更热。这些现象都说明了各种自然力之间的相互转化。
经过1841年的航行，他写下了《论力的量和质的测量》这篇论文，但由于缺乏准确的实验依据和数学物理知识上的缺陷，这篇论文因为有严重的缺点而没有发表。这启发了迈耶自学数学和物理，重新写了论文《论无机边界的力》。1842年，他寄出了德国生物化学家尤斯图斯·冯·李比希编辑的《化学与医学》杂志。由于李十分重视自然力的统一，发表了迈耶的文章，所以迈耶成为发表能量转化和守恒定律的第一人。在这篇论文中，迈耶从“没有什么是天生的，没有什么是不变的”和“原因等于结果”的哲学观点出发，得出“力是一个不朽的、可转化的、无重量的物体”的结论。他所说的“力”就是“能量”的意思。他将这一思想应用于“下落力”(势能)、“力”(动能)和热的转化与守恒，并根据当时气体比热的测量数据，首次得出了热的力学当量，即一个物体从365米高处下落，相当于将同样重量的水从0℃加热到65438。
1845年，迈耶自费出版了《器官运动与代谢》一书。他首先解释了“力”的守恒和转化定律，认为这是宇宙的普遍规律。然后提出了“力”的几种形式，即“运动力”、下落力、热、电、磁、化学力，并揭示了它们之间的相互转化。比如下落力转化为运动力，运动力通过碰撞转化为热，热在热机中转化为运动力，化学力通过加尔瓦尼电池转化为电。迈耶画了一张他调查的所有力的表，描述了25种运动转化的情况，并做出了否定热质量和其他失重流体存在的结论。论文还讨论了动植物体内的能量问题，认为体内力学和热效应的来源是吸收食物和氧气时的化学过程，从而指出了有机和无机领域中“力”的统一性。
1848年，迈耶在《天体动力学》一文中讨论了宇宙中的能量循环，解释了陨石发光是因为在大气中失去了动能。
在1851中，他写了《论热的力学当量》一文，详细阐述了热的力学当量的计算。于是，他回击了对他的攻击，保护了他的优先权，但在这一年的秋天，迈耶得了脑炎，直到1862才恢复了他的科学工作。
2.焦耳的工作
詹姆斯。普雷斯特科？焦耳(1818—1889)是曼彻斯特一个酿酒商的儿子。他是一名业余科学家，长期关注物理，对电和磁的研究非常感兴趣。他对电流的热效应和热的力学等效做了大量实验，总结成多篇文章发表。比如1840-1841年，1843写了两篇文章，分别是伏打电产生的热量和电解时金属导体和电池释放的热量，发表在1845。1849年《论热的机械当量》一文通过法拉第寄给英国皇家学会，1867年发表了两篇文章，分别是1878年发表的《用电流的热效应测量热做功时间》和《热的机械当量的新测量》。
从上面的文章中，我们可以看到焦耳关于热当量思想的发展过程:首先，他研究了电流通过导体所产生的热量，得出了电流热量的定量关系，即一定时间内导体中产生的热量与导体电阻和电流平方的乘积成正比——这就是焦耳定律。焦耳认为这个实验不能判断热的本质。焦耳在1843中提出了一个观点，磁电机形成的感应电流和其他电源的电流一样产生热效应。他让一个线圈在电磁铁的两极之间旋转，线圈被放在一个量热计中。实验证明，产生的热量和用来产生热量的机械能之间有一个恒定的比例。因为电路是完全闭合的，水温的升高完全是因为机械能转化为电能，电能转化为热能。这排除了热量从外部输入的可能性。焦耳之所以想出这样一个实验，是因为他认为:“当我们不把热看作一个物理对象，而是看作一种振动状态时，没有理由认为它不可能是由一个纯粹的机械作用引起的，比如一个线圈在一个永久磁铁的两极之间旋转的作用。”这个实验的结果如下:一磅水的热量增加1oF，相当于838磅的机械功增加1ft。用工程单位制，这个值大概是460公斤？米/千卡。后来，焦耳反复扩展这些实验，证明自然界的“力”是不可毁灭的，无论在哪里消耗机械力，总能获得相当大的热量。这样，热被证明是能量变化的一种形式。然而，一些伟大的物理学家对焦耳的结论表示怀疑和不信任，焦耳的论文被英国皇家学会礼貌地拒绝了。
焦耳没有灰心，决心用更多的实验来证明他的结论。后来他的新测量方法得到的热的机械当量值分别是426/ kg？M/kcal和438kg？米/千卡。1847年，焦耳申请在英国学术协会读论文。协会只是让他简单介绍一下实验(也就是大家熟悉的混合实验)。他介绍完之后不准备讨论了，只是碍于学术权威W？唐慕孙饶有兴趣地提问，引起了人们对焦耳实验的关注，但仍有很多人持怀疑态度。
1849年，焦耳在英国皇家学会发表论文《论热的力学等效性》，并宣布了他著名的实验结果:要产生使一磅水在真空中上升1oF的热(在55 ~ 60of的温度下测得)，需要相当于722磅从1英尺下落的机械功。(这个数值是424.3kg？M/kcal)与美国物理学家罗兰(1879)的测量结果相比，误差仅为6。由此可见焦耳实验的准确性。之后，焦耳继续他的实验测量，直到1878。
他用了近40年时间，做了400多次实验，确定了热的机械当量的准确值，为能量守恒原理的建立提供了可靠的实验依据。焦耳最终得到了423.85 kg的热值的机械当量？米/千卡。
1850年，焦耳当选为英国皇家学会会员，他的研究成果终于得到了科学界的认可。
值得注意的是，焦耳的工作并不局限于实验。他还阐述了他对热的本质和能量的守恒和转化的观点。焦耳和迈耶从不同的方面探索了能量守恒和转化的规律，所以他们都做出了很大的贡献。
3.亥姆霍兹等人的工作。
德国医生、生理学家亥姆霍兹(1821—1894)出生于一个中学教师家庭。65438-0838进入医学院外科学院，对生物学非常感兴趣。他讨论了生命力的本质。1845加入物理学会，参与学会组织的《物理学成就》杂志的编辑工作。前后发表的主要文章有:《论力的持久性》(1847)、《论肌肉作用中物理学的必要性》(1845)、《生理热现象》(1846)、《生理热现象理论概述》(1844)
从文章中可以看出，亥姆霍兹是从生命力本质的研究入手，质疑当时的生命力本质观，开始考虑能量转化和守恒定律。在他70岁生日的庆祝会上，他回忆说:“当时大多数生理学家都承认斯塔尔的观点，即在活的有机体中，有机物质的物理力和化学力起作用，但同时又有一个活的灵魂，或者说生命力；生命力在一个物体活着的时候比死后更自由地调节物理和化学力的表达，而在死后不受任何东西调节的物理和化学力的表达会引起衰变。.....我怀疑这种解释有不自然的地方，但要把这种怀疑变成一个准确的问题，我费了很大的力气。”
当时亥姆霍兹就知道永动机的不可能性，于是问道:“如果我们承认永动机根本不可能存在，那么自然界的各种力之间应该是什么样的关系呢？”这些关系都存在吗？他还问道:“如果生物能从食物之外的一种特殊活力中获得能量，那么它们将是永动机。”"
亥姆霍兹在他的《力的守恒》一书中论证了能量守恒定律，并建立了这一定律的数学公式，即mgh= mv2。
然而，论文的命运开局不利，大多数科学都不接受他的观点。这篇论文被拒绝后，亥姆霍兹在柏林单独出版了一本小册子。
亥姆霍兹还研究了能量守恒在其他物理过程中的应用，并将其扩展到光、热、电磁现象、化学运动和生物体内的过程。亥姆霍兹的纲领实际上成为了物理学未来发展的基本内容，他自己的科学活动也实现了这一纲领。他的研究和工作对当时的整个物理学界产生了强烈的影响，他创立了一个国际物理和生物学院。
通过对上述三人工作的介绍，读者肯定会问，为什么发现能量守恒定律的不是正宗的物理学家，而是医生、业余科学家和生物学家。这可能有两个原因。首先，他们的工作更多地涉及热量的转化，其次，他们较少受到物理学中热量和质量的“正统”理论的影响。基于这些原因，他们首先得出了能量守恒和转化定律。
(3)能量守恒和转化定律的建立及其意义。
1.能量守恒定律的证实
我们可以看到，迈耶、亥姆霍兹、焦耳等人非常有意义的研究工作并不是一帆风顺的，他们都受到了不同程度的压制和排斥。但是，社会实践和科学实验的发展，总会推动科学认识的进步。1851年，威廉？在《论热的动态等效》中，汤慕孙开始接受焦耳的理论，把能量守恒和转化定律在热运动和机械运动中的具体表述称为热力学第一定律。直到大约1860年，能量原理才得到普遍承认，并很快成为所有物理学和自然科学的重要基石。正如劳厄所说:“从此以后，尤其是在物理学中，每一个新理论都要先检查它是否符合能量守恒定律。”
任何真理再往前走一步，就会变成谬误。19年底，著名的化学家、物理学家奥斯瓦尔德(1853-1932)试图把一切都归结于能量，从能量原理推导出其他所有的物理定律，这显然是错误的。
2.能量守恒原理的精确描述
“能量”的概念是托马斯？杨提出来的，当时科学界没有采纳。事实上，在那些为建立能量守恒原理做出贡献的科学家中，没有人直接使用能量的概念，而是经常使用具有多重含义的“力”的模糊谓词来表达他们的重要发现。只在1853，威廉？唐慕孙对能量的概念给出了一个确切的定义，即“我们把一个物质系统在给定状态下的能量，表示为以任何方式从这个给定状态跃迁到任何固定的零状态时，以机械功为单位所测量的系统外产生的各种作用的总和。”就这样，人们逐渐把“力的守恒”变成了“能量的守恒”。
然而，虽然这一原理的发现者都是从能量形式的转化中看到了能量在量上是不变的，但他们在描述这一定律时，大多是从量的角度强调能量的“守恒”，全面准确地称为“能量转化与守恒”的定律是恩格斯。恩格斯首先指出了前面所说的不完善之处。他在《自然辩证法老序》中说:“运动的不变性不能只从量上把握，还要从质上把握。”在1885中，他指出:“如果说新发现的伟大的运动基本定律在十年前只是被概括为能量守恒定律，只是被概括为运动不灭的表述，即只是从量的方面来概括，那么这种狭隘的否定表述越来越被那种关于能量转化的肯定表述所取代。在这里，过程质量的内容第一次获得了自己的权利……”这就赋予了这个原理以综合性和普遍性，这也是恩格斯对科学的巨大贡献。
3.功、热和热力学第一定律的数学表达式
“做功”这个词在物理学中有明确的含义。意思是一个力作用在一个物质上，使物体沿着力的方向运动。做功过程的重要特点是必须伴随着运动形式的转换，即伴随着能量从一种形式到另一种形式的转换。因此，功的本质意义在于，它一般被用来作为能量从一种形式转化为另一种形式的量的量度。各种能量转换都可以定量表示，因为功可以选作同量。
“热”这个词的意思是，由于温差的存在，系统之间没有客观的位移，只有能量传递。
大量实验表明，通过做功或加热可以改变一个系统的热运动状态。也就是说，自然界有两种基本的热力学过程，即做功和传热。虽然它们的条件和机理不同，但都可以改变系统的热力学状态。如果系统的状态在这两个不同的过程中以相同的方式变化，则在工作阶段传递的热量之间总是存在确定的等效关系。这说明功和热作为能量转换和传递的两种形式，是等价的。所谓“热的机械当量”，就是代表这种当量的数量关系。
一般来说，实际的热力学过程是上述两个过程的综合，即系统因宏观位移而做功，因温差而与外界进行热交换。
若A代表外界所做的功，Q代表系统从外界吸收的热量，系统内能从E1变为E2，实验表明系统内能的变化可由下式确定，即E2-E1 = A+Q。
这个公式是热力学第一定律的数学表达。它表明，当一个热力学系统通过任意过程从一个状态进入另一个状态时，系统内能的变化等于这个过程中所做的功和传递的热之和。这个定律还表明，在任何热力学过程中，热运动既不能被创造，也不能被消灭，只能被转化或转移。
4.能量守恒和转化定律的意义
事实上，热力学第一定律中的E不仅代表系统内能，如果它代表系统所包含的所有形式的能量，功A代表所有形式的功，那么第一定律就可以理解为能量守恒和转化的普遍规律。
能量守恒定律的建立，一方面找到了各种自然现象的共同尺度——能量，说明不同形式的运动在相互转化中具有同一性，从而将各种自然现象与定量规律联系起来；另一方面，这个定律的成立也说明运动形式的相互转化能力也是不灭的，这是物质本身固有的属性。这样，这个定律第一次在一个极其广阔的领域里把各种性质联系起来。
能量守恒和转化定律的建立，对创造第一种永动机的不可能性作出了科学的最终判断，彻底否定了永动机的幻想，使经典物理学发展成为一系列完整的理论科学。
当然，需要指出的是，任何一个重要科学原理的具体形式都有其相对性。对于能量守恒和转化定律，能量及其转化也有各种具体形式。随着社会实践特别是科学实验的发展，人们对能量形式的认识不断丰富。因此，我们不能说我们已经知道了所有能量形式的转化过程。随着科学实验的发展，人们完全有可能发现一些新的能量形式，了解一些新的转化机制，甚至探索一些难以想象的效应。届时，这一原理也将呈现给人类一个崭新的面貌。