王梅華

【摘 要】本文主要闡述了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的發(fā)現(xiàn)及簡單的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】能量轉(zhuǎn)化 守恒定律

能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)最基本的量度，是人們研究客觀世界的主要對象之一。研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)就是要研究各種形式的能量及轉(zhuǎn)化規(guī)律。19世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，深刻地揭示了自然界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化發(fā)展的規(guī)律，被恩格斯稱為偉大的運(yùn)動(dòng)基本定律，19世紀(jì)自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一。

一、能量轉(zhuǎn)化和守恒定律是怎樣發(fā)現(xiàn)的？

任何科學(xué)理論的建立都要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不斷積累階段和認(rèn)識上提高或飛躍兩個(gè)階段。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程也是如此。第一階段，從古代發(fā)現(xiàn)摩擦生熱、摩擦取火到18世紀(jì)蒸汽機(jī)的發(fā)明以及其他運(yùn)動(dòng)形式及其相互轉(zhuǎn)化的發(fā)現(xiàn)。在這一階段，人們已經(jīng)在長期的生產(chǎn)實(shí)踐和技術(shù)改革中解決了機(jī)械運(yùn)動(dòng)和熱之間相互轉(zhuǎn)化的問題，也發(fā)現(xiàn)了光、電、磁、熱等運(yùn)動(dòng)形式的互相轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。尤其到18世紀(jì)末19世紀(jì)初，運(yùn)動(dòng)形式的互相轉(zhuǎn)化的事實(shí)越來越多。1780年意大利的伽伐尼發(fā)現(xiàn)，火花放電或雷雨能使蛙腿筋肉收縮，這是電的生物學(xué)效應(yīng)。1800年意大利的伏打把兩種不同的金屬片疊起來，產(chǎn)生了電；還把銅片和鋅片浸入硫酸溶液中，把這兩片金屬與導(dǎo)線連成回路也能產(chǎn)生電流。這是化學(xué)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流運(yùn)動(dòng)。

第二階段是認(rèn)識的提高和飛躍。對能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)來說，它包含了對陳舊觀念的廢除和新的認(rèn)識的建立兩個(gè)方面。這一階段出現(xiàn)在19世紀(jì)中期。在此以前形成上學(xué)的“熱素說”觀點(diǎn)支配著人們的認(rèn)識，各種運(yùn)動(dòng)形式被隔裂開來，割斷了它們之間的本來聯(lián)系。因而阻礙人們深入認(rèn)識事物的本質(zhì)。所以，當(dāng)時(shí)盡管已經(jīng)產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)不滅的思想，如法國哲學(xué)家笛卡爾在1644年“哲學(xué)原理”中總結(jié)出“運(yùn)動(dòng)量恒”的觀點(diǎn)，1746年俄國科學(xué)家羅蒙諾索夫從熱現(xiàn)象的研究中也曾發(fā)現(xiàn)過物質(zhì)守恒，運(yùn)動(dòng)不滅的思想，但都未能最終發(fā)現(xiàn)這個(gè)定律。這主要由于科學(xué)家實(shí)驗(yàn)尚未積累起足夠的實(shí)踐認(rèn)識，也由于傳統(tǒng)觀念束縛住人們的頭腦。到19世紀(jì)中葉，情況起了很大的變化。一方面積累了大量能量轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，其中有些還直接反駁“熱素說”，如18世紀(jì)末英國的倫福德在金屬鉆孔的多次實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)熱素不可信，卡諾在提高蒸汽機(jī)效率時(shí)也感到有一部分熱轉(zhuǎn)化為功；另一方面由于當(dāng)時(shí)工業(yè)革命日益發(fā)展，涌現(xiàn)出一批有遠(yuǎn)見富于創(chuàng)新精神的科學(xué)家，德國的邁爾就是其中一員。邁爾沒有盲目地跟從熱素說，而是批判地吸收了前人的工作成果，把各種能量（當(dāng)時(shí)叫“自然力”）列成一個(gè)表，分析 了它們之間相互轉(zhuǎn)化的25種情況，在認(rèn)真整理前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，拋棄了陳舊的熱素說。1840年邁爾作為一個(gè)隨船醫(yī)生到爪哇去旅行，在抽病人的血液時(shí)，發(fā)現(xiàn)從血管中取的血都有一種異常鮮明的紅色。這種紅色素是血液中進(jìn)行氧化作用的產(chǎn)物，這就使他考慮到正是由于食物在體內(nèi)氧化放出大量的熱，一方面使人維持正常體溫，一方面又給人進(jìn)行各種活動(dòng)提供了能源。

二、能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的應(yīng)用

能量轉(zhuǎn)化和守恒定律是人類科學(xué)技術(shù)的理論支柱之一，它既是人們認(rèn)識客觀過程的有效工具，又是我們開發(fā)新能源的可靠依據(jù)，它還是指導(dǎo)我們?yōu)樘厥獾哪康膶?shí)現(xiàn)多種形式的轉(zhuǎn)化。

這一偉大的定律是人們深刻認(rèn)識客觀過程的準(zhǔn)繩之一。在千變?nèi)f化的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中，總要尋求一些不變量以聯(lián)系事物的始末態(tài)，能量就是這樣的不變量之一，能量形式可變，但量上守恒。這使我們可以解決許多實(shí)際問題，無論是動(dòng)動(dòng)與勢能的轉(zhuǎn)化，還是機(jī)械能、熱能、電能、光能之間的相互轉(zhuǎn)化，對一個(gè)系統(tǒng)來說，經(jīng)過一個(gè)過程，初始能量加上外界能量總等于系統(tǒng)末了的能量加上耗散的能量，在物理教學(xué)中所用的一些能量守恒的具體表達(dá)式，都表示這個(gè)意思。從這類表達(dá)式可以解出不同的未知量，解決科學(xué)技術(shù)工程上各種問題。這一定律使我們能在人類已認(rèn)識的范疇內(nèi)分析和解決問題，同時(shí)它還幫助我們在尚未認(rèn)識的范疇內(nèi)發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)過程。

除了為獲取能量的目的而提高效率開發(fā)新能源之外，人們還廣泛應(yīng)用能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，創(chuàng)造一定的條件，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，以達(dá)到某些特殊的應(yīng)用目的。如為信息探測和傳遞的目的，人們研制了紅外探測器，探測目標(biāo)物的微弱的紅外輻射，把滿載信息的紅外輻射轉(zhuǎn)化為電訊號，從而顯示出來，人們還研究光通訊技術(shù)，把信息轉(zhuǎn)換為光能，借助于光來傳播信息。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，光熱轉(zhuǎn)化又獲得某些特殊的應(yīng)用，如激光打孔、焊接、切割、激光手術(shù)、激光退火、激光武器等等。

三、對能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識

能量守恒和轉(zhuǎn)化定律是一條自然界遵循的基本規(guī)律，一個(gè)多世紀(jì)以來已在各方面獲得廣泛的應(yīng)用，但關(guān)于這條定律的哲學(xué)認(rèn)識則是不斷深化的。首先，能量守恒，不僅是量上守恒，在轉(zhuǎn)化過程中能量不會創(chuàng)生不會消滅。不承認(rèn)這一點(diǎn)就會導(dǎo)致荒謬的結(jié)論。19世紀(jì)克勞修斯從熱力學(xué)第二定律所得到的“宇宙熱寂說”就是一個(gè)典型的例證。他認(rèn)為一切現(xiàn)存的運(yùn)動(dòng)都將變?yōu)闊幔@種熱卻不會再轉(zhuǎn)化為別種形式的能量。它不但不能集中起來，相反這些熱會不斷地散發(fā)到宇宙空間中去，使宇宙達(dá)到統(tǒng)一溫度而處于死寂狀態(tài)，用克勞修斯的話說就是：“這時(shí)宇宙就會進(jìn)入一個(gè)死寂的永恒狀態(tài)?！笨梢?，運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化能量一旦喪失，運(yùn)動(dòng)也就消滅了。實(shí)際上，能量轉(zhuǎn)化的完整意義是指任何運(yùn)動(dòng)形式都具有轉(zhuǎn)化為它種運(yùn)動(dòng)形式的能力，宇宙其他運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化為熱，熱也就一定會自己轉(zhuǎn)化為別種形式的運(yùn)動(dòng)，發(fā)散的熱會以某種形式在有限空間范圍內(nèi)集中起來，即所謂“反熵”過程在宇宙中時(shí)必定存在的。關(guān)于宇宙間“黑洞”的研究，正時(shí)研究這種能量集中狀態(tài)。所以，能量轉(zhuǎn)化和守恒定律不僅表示運(yùn)動(dòng)的量在轉(zhuǎn)化過程中不滅，而且表示各種運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化能力永遠(yuǎn)不會消滅。