能量的轉(zhuǎn)化與守恒-高二上學期物理滬科版（2020）必修第三冊

12.2能量的轉(zhuǎn)化與守恒一、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)19世紀上半葉，已有很多種能量轉(zhuǎn)化的形式被發(fā)現(xiàn)。蒸汽機將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能電池將化學能轉(zhuǎn)化為電能法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應現(xiàn)象實現(xiàn)了將機械能等轉(zhuǎn)化為電能。幾乎同時，不同國家的多位科學家，通過不同的途徑，各自獨立地發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律一、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)1840年，德國醫(yī)生邁爾作為隨船醫(yī)生在赤道附近給船員做放血治療時，發(fā)現(xiàn)船員流出的靜脈血顏色較鮮艷，但回到歐洲后船員流出的靜脈血又變成暗紅色。由此，他把有機體的這種化學過程和無機的物理現(xiàn)象聯(lián)系起來，產(chǎn)生了熱和機械運動有一定對應關系的思想。邁爾認為，體力和體熱必定來源于食物中的化學能，內(nèi)能、化學能、機械能都是等價的，是可相互轉(zhuǎn)化的。如果動物的能量輸入與支出是平衡的，那么，所有這些形式的能在量上必定是守恒的。在此基礎上，邁爾從理論上具體地論證了機械能、內(nèi)能、化學能、電磁能等都可相互轉(zhuǎn)化。隨后，他提出了物理、化學過程中能量守恒的思想。一、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)從1840年到1879年，焦耳用了近40年的時間，不懈地鉆研熱功轉(zhuǎn)換問題，先后用不同的方法做了400多次實驗，為能量守恒定律提供了無可置疑的證據(jù)。焦耳設計并完成了一個非常巧妙的實驗：用一個保溫性能良好的量熱器裝上水，再浸入一個葉輪。葉輪由圓筒帶動，而圓筒本身又與下垂的重錘連接（圖3-5）。根據(jù)重錘的質(zhì)量和下落的高度可算出機械功，根據(jù)水和量熱器的質(zhì)量、比熱容、升高的溫度可計算出產(chǎn)生的熱量。焦耳的工作開始時沒有受到人們的重視。1844年，英國皇家學會甚至拒絕他宣讀論文。但焦耳一直以百折不撓的精神專心致力于熱功轉(zhuǎn)換研究，終于使自己的研究成果得到了科學界的公認。后人為了紀念他，把功和能量的單位定為焦耳。一、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)德國物理學家、生理學家亥姆霍茲從生理學問題入手，對能量守恒定律進行研究。1847年，他在柏林物理學會上宣讀論文《論力的守恒》，系統(tǒng)地闡述了能量守恒原理，從理論上把力學中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學反應等過程，揭示了它們之間的統(tǒng)一性。他還將能量守恒原理與永動機不可能實現(xiàn)聯(lián)系起來，使這一原理更具說服力。亥姆霍茲的工作從理論上對能量守恒定律進行了重要的概括，他基本上是獨立完成這一發(fā)現(xiàn)的。但是他沒有去爭取這一發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權，而是謙遜地肯定了邁爾和焦耳所作的貢獻。做功熱傳遞轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化6對外做功7熱力學第一定律8化學能相互轉(zhuǎn)化守恒9定量熱功轉(zhuǎn)換統(tǒng)一性10能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性思考：煮好的熱雞蛋放到冷水中，過一會，雞蛋的溫度降低，水的溫度升高，最后二者溫度相同。是否可以發(fā)生這樣的現(xiàn)象：原來溫度相同的雞蛋和水，過一會水的溫度自發(fā)地降低，而雞蛋的溫度上升？能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性1、這一現(xiàn)象不違背能量守恒定律2、能量轉(zhuǎn)化的不可逆性：科學家對有關自然現(xiàn)象和經(jīng)驗事實進行大量研究后發(fā)現(xiàn):一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。3、能量耗散：能量的數(shù)量是守恒的，但是能量可利用的品質(zhì)降低了。能量的耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然中與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程具有方向性。人類對能源的利用大致經(jīng)歷了三個時期，即柴薪時期、