关于能量守恒定律

现在的物理书上有一篇文章——《热的本质》。根据这篇文章我们可以知道——在200多年以前，人们普遍认为：热量一种没有质量的……特殊物质。“热质说”能解释许多热学现象……因此，直到19世纪初大多数学者都支持“热质说”。

可是由于当时的科学：一没有证明“质量亏损”——没能证明热量的质量。二没有证明金属的燃烧值——没能证明金属在发生化学变化时也能够放出热量、没能正确地解释摩擦生热。所以，这就使得20世纪的大多数人都认为：热不是一种特殊的物质，而是物体内部的一种能量——物体的内能；热的本质是——物质微粒的振动。

随着科学的发展，在现有的科学基础上重读《热的本质》，我们可以认为：

一、由于当时的科学没有证明“质量亏损”——没能证明物质吸收或放出热量时的质量变化。所以，那些支持“热质说”的学者才认为“热是一种没有质量……的特殊物质。”如果科学能够早一点证明“质量亏损”，也许那些勇敢的科学家就可以根据物质所放出的热量与“质量亏损”计算出热量的质量。

二、由于当时的科学还没能证明：在一定的条件下，金属都是能够燃烧——能够发生化学变化、并且放出热量的。所以，伦福德伯爵只研究了一下铜块与铜屑的比热，而没有研究一下铜变成氧化铜。氢氧化铜所能放出的热量，就把金属发生化学变化时所放出的热量，说成是机械能转化成的，并在近2个世纪造成了很大的影响。

[ 从现在的书上我们可以看到这样的话：“一千克铀释放的能量相当于2400吨标准煤释放的能量。”众所周知：煤所释放的“能量”其实就是热量，铀在核电站中释放的“能量”其实也是热量。现在的书上所以把热量写成“能量”，就是由于写书的人受伦福德伯爵和焦耳等人的影响，认为热量只是一种能量。

根据元素周期表我们可以算出：1000克铀（235）裂变成钡和氪时少了59.0341克，裂变成锑和铌时少了86.5687克，裂变成锶和氙时少了72.8014克。因为这6种元素都有可能形成，在此我们就取它的平均值——72克。1000克铀（235）裂变时质量大约少了72克。

既然我们已经知道1000克铀在裂变——放出热量的过程中少了大约72克，那么，我们是否可以根据物质不灭定律认为这少了的72克就是热量的质量呢？

因为1000克铀裂变释放的热量等于2400吨标准煤燃烧所放出的热量，那么，我们是否可以认为2400吨标准煤燃烧所释放出的热量也是72克呢？

假定1000克铀或2400吨标准煤所放出的热量都是72克，那么：72/2400=0.03克

根据这个72克，我们可以算出1吨标准煤所燃烧放出的

热量是0.03克；1000克标准煤燃烧所放出的热量是0.00003克。

1000克煤在吸收了许多氧气变成二氧化碳和煤灰后，它们的总质量也只少了0.00003克。这可以说明热量的质量多么小；也可以说明200年前科学家为什么会认为‘热是没有质量的特殊物质’。普通的天平，是很难称出煤燃烧后所产生质量变化的。

200年前的科学家为了证明热有没有质量，曾经用天平来称瓶子中被烧红的铁块。可是热的质量实在是太小了，瓶中的铁吸收的热实在是太少了，即使瓶中被烧红的铁冷却后能放出相等于1000克煤燃烧所放出热量，即使瓶中被烧红的铁已经发生了0.00003克的质量变化，天平也是很难称出来的。

普通的天平可以称出1000克铀所发生的72克、0.03克的质量变化。可是，也很难称出0.00003克的质量变化。但是，这个0.00003克是确实存在的。没有0.00003克的质量亏损，也就没有72克的质量亏损。

三、至于戴维那个摩擦冰的实验。众所周知：水是由氢和氧组成的，氢聚变时所放出的热量，要比氢和氧燃烧变成水所放出的热量多很多。那么，在摩擦冰的过程中，是否有氢原子发生了“冷聚变”，还是另有原因呢？这还是一个有待于实验证明的问题。联想到氢弹爆炸前，大自然中的氢和氦就已经存在了，也许，大自然中氢和氦的互相转化，早就在悄悄地进行了。

前面，我们已经根据燃烧值、比热和热功当量说明了热量的不生不灭。说明了“机械能电能转化成热”，其实是机械能、电能使物质发生比热变化、物理变化、化学变化而放出热量，“热转化成机械能、热在做负功时减少”，其实是气体膨胀（做功、做负功）时，由于压强变化、比热变化而使温度也发生了变化，热量其实一点也没有减少。

现在，我们又根据铀裂变放出热量时的质量亏损算出了热量的质量。——算出了1000克铀裂变或2400吨煤燃烧所放出的热量大约是72克；1吨标准煤燃烧所放出的热量大约是0.03克；1000克标准煤燃烧所放出的热量大约是0.00003克。

在现有的科学基础上，根据物质吸收或放出热量所发生的温度变化、物理变化、化学变化和“ 质量亏损”，我们可以认为：热量是不生不灭的、组成分子原子的、具有质量的、很小的物质粒子。这些很小的物质粒子，可以存在于分子原子的外部，成为能直接观测到的温度——热量；也可以存在于分子原子的内部，我们称呼它们是潜热、燃烧值、化学能、原子能。

存在于分子、原子内的热量所以被称为化学能、原子能，是由于近200年来，大家受伦福德伯爵、戴维和焦耳等的影响，认为热只是一种能量——分子、原子的振动。

但

是分子、原子放出热量时所发生的化学变化和质量亏损、却在向我们证明：热量是不生不灭的、组成分子原子的、具有质量的、很小的物质粒子。

“热是一种能量——物质粒子的振动”可以解释水吸收热量变成汽时的体积变化及一些物体的热胀冷缩，但是不能解释水放出热量变成冰时的体积变化及一些物体的热缩现象，更不能解释物质放出热量所发生的化学变化与“质量亏损”。

“热量是不生不灭的、组成分子原子的、具有质量的、很小的物质粒子”则可以更好地解释物质放出热量所发生的温度变化、物理变化、化学变化与“质量亏损”。

因为热量是不生不灭的、组成分子原子的、具有质量的、很小的物质粒子；因为气体膨胀做功或做负功时的温度降低是由于比热的改变引起的，所以，大自然中其实并不会发生“热在做负功时减少”。

因为热量是不生不灭的，组成分子、原子的，具有质量的，很小的物质粒子；因为原子所放出的热量并不会离开大自然。所以，虽然原子在放出热量时会发生“质量亏损”，但是，大自然中的物质（包括热量）的总质量是永远也不会减少的。

在大自然中，虽然每天有许多燃料被烧掉，每天有许多食物被吃掉，每天有许多水被晒干……但是，物质的总质量是不变的。

在大自然中，物质不灭是绝对的。



记一次大论战



200年前，科学界发生了一次讨论‘热是什么？’的大论战。这是一次实事求是尊重事实，以实验为标准的盛会。其中有二个比较重要的实验，决定了这次论战的结论。

一，测定热有没有质量的实验

n为了测定热有没有质量，200年前的科学家所做的实验是——用天平来称装在瓶子中被烧红的铁块。理由是：如果热是有质量的，那么铁块烧红以后已经吸收了许多的热量，重量肯定会增加。结果是：天平称不出这个重量变化。于是大家都认为热是没有质量的能量——是物质的内能——分子杂乱无章的运动。这个实验其实就这么简单。

二，测定机械能转化成热的实验

这个实验做得最好的一个就是大家都学过的：焦耳的热功当量的实验。因为当时的科学还没有证明金属都是能够燃烧的，没能证明铁变成氧化铁时也能放出热量。所以，大家都认为摩擦时产生的热都是机械能转化的。机械能转化成热，就是机械运动转化成分子杂乱无章的热运动。

根据以上的实验，当时得出的结论是：热不是一种特殊的物质，而是物体内部的一种能量——物体的内能。热的本质是——物质微粒的振动

受这个结论的影响，现在，有的人把煤燃烧放出热量说

成煤燃烧放出能量；有的人把铀裂变放出热量时的质量亏损说成质量转化成能量；有的人把气体压缩时——比热变化时的温度升高说成是机械能转化成热。有的人虽然知道：木块燃烧时变化成二氧化碳能够放出热、木块在白蚁肚子里变化成二氧化碳也能够放出热，但是，他们还是硬把木块摩擦时变成二氧化碳放出热，说成是机械能转化成热。在摩擦发热的过程中，木块是会被磨损的，磨损的木块已经变成二氧化碳。如果说木块摩擦时产生的热是机械能转化的，那么，木块的燃烧值到那里去了。

光阴似箭，日月如梭，200多年过去了。现在的科学已经证明了“质量亏损”，证明了金属都是能够燃烧——能够发生化学变化并且放出热量的。

根据“质量亏损”，我们可以认为200年前的天平所以称不出热的质量其原因是热的质量太小，烧红的铁吸收的热量太少。如果他们是用铀做实验，如果瓶中那烧红的铁也如1000克铀一样，在放出相当于2400吨标准煤燃烧所放出的热量后轻了72克，我们的古人早就可以称出热量的质量了。

根据金属都是能够燃烧——能够发生化学变化并且放出热量。我们可以认为：摩擦发热时产生的热都是物质发生化学变化所放出的。这是可以用实验证明的。

200年前的科学家，由于当时条件所限制，没能证明热量的质量，没能正确的解释摩擦发热，这是可以理解的。但是，他们的实事求是、尊重事实、敢于探索、勇于创新的精神是永远值得我们学习的








能量的来源



地球上的物质不断地发生着各种各样的温度变化，物理变化和化学变化。在这些温度变化、物理变化和化学变化的过程中，物质（包括热量和电子）的总质量是不变的。但是物质的体积、热容量和电容量都是会随着改变的。这样，就在地球上产生了各种各样的运动和能量。

各种各样会放出热量的燃料，还有各种各样的化学电池，这是大家有目共睹的，在此就不用多说了。然而，物质发生温度变化，物理变化和化学变化时所产生的体积变化，则已经被有些人熟视无睹了。因此，有必要在此谈谈体积变化与运动和能量的关系。

机械能的来源

在常压下，水吸收热量变成蒸汽时，体积将膨胀1600倍，而汽油，柴油、炸药放出热量变成燃气时的体积变化则更大。如果说气体的体积变化和压强成反比的话，那么，这些水在密封的容器中变成汽时则会产生1600个大气压。1600个大气压在某些情况下就是每平分厘米1600公斤的压力或推力。蒸汽机，汽油机，柴油机和大炮的工作原理虽然不尽相同，但是它们的活塞和炮弹，则都是靠这些气体的压力

来推动的。

有人认为“在热机中转化成机械能的是热能。气体膨胀做功时的温度降低，是因为有许多热能转化成了机械能。”然而事实可以证明：热能与压强并不是同一会事，推动热机活塞的是气体的压强，而不是气体的热能——温度。气体膨胀做功时的温度降低是由于比热的改变而引起的，热量其实一点也没有减少。在蒸汽机中，热量是使水变成蒸汽的条件；在内燃机中，热量是燃料变成燃气的副产物，为了防止这个副产物对机器的伤害，内燃机中都安装了一套冷却装置来防止高温烧坏机器。

推动火车，汽车，飞机，大炮，轮船，火箭……的能量，其实都来源于水，汽油，柴油，炸药，液氢……变成蒸汽或燃气时巨大的体积变化。提高热机效率的最有效的方法，就是提高压强，把这些工质的体积变化最大限度的利用起来，在这些工质的体积变化中获得最多的机械能。

水能的来源

在常温，常压下，１立方米水的质量是1000千克，１立方米空气的质量是1.043千克。因为水变成汽时体积膨胀了1600倍，所以１立方米汽的质量是0.625千克。

根据水变成汽时的体积变化和质量变化，我们可以看出：热汽的上升，并不是因为热汽得到了什么能量，而是因为热汽比空气轻——热汽是在地球引力的作用下，被空气挤到上面去的——浮力定律。雨会从空中落下来，水会从高处流向低处，并且在流动中做功发电，也不是因为雨和水失去什么能量或贮存了什么能量，而是由于体积变化使得雨和水比空气重。

汽变成水所放出的热量，等于水变成汽所吸收的热量；冰变成水所吸收的热量，也等于水变成冰所放出的热量。在水的三态变化中，热量是既不会变多，也不会变少的。然而水在三态变化中所发生的体积变化，使水在大自然中产生了循环，产生了我们取之不尽的水能。

蒸汽机依靠水变成汽的体积膨胀，获得了机械能。水轮机依靠汽变成水的体积变小，获得了机械能。蒸汽机不会使汽失去膨胀1600倍的能力，水轮机也不会使水失去流向大海的能力。



风能的来源

夏天拧紧盖子的空塑料瓶，冬天会变扁。这是由于天气冷时，空气的体积变小了。空气在温度变化时的体积变化虽然并不大，但是，地面上的气压变化和风力变化，却都是由于空气的体积变化形成的。狂风暴雨则是由空气的体积变化和汽雨的体积变化共同形成的。

在小学里我们曾学过：“空气受热上升，周围的冷空气流过来补充，于是形成了风。”那么，空气受热后为什么会上升呢？原来这是因为空气受热后体积膨胀，比重变得比周围的冷空气轻，周围比较重的冷空气流过

来把这些比较轻的热空气浮到了上面去，于是形成了风。

热气变成冷气所放出的热量，等于冷气变成热气所吸收的热量。在空气的温度变化的过程中，大自然中空气和热量的总质量是不会变多，也不会变少的。然而空气在这个温度变化中所发生的体积变化，使地面上的空气产生了流动——产生了风和取之不尽的风能。

小结

热气变成冷气所放出的热量，等于冷气变成热气所吸收的热量。

蒸汽变成水所放出的热量，等于水变成蒸汽所吸收的热量。

燃料燃烧所放出的热量，等于燃料形成所吸收的热量。

在这些温度变化，物理变化、化学变化的过程中，物质（包括热量）的总质量是不变的。但是，物质在这些温度变化，物理变化和化学变化中所发生的体积变化，在大自然中产生了风能，水能和机械能。

在大自然中，物质的温度变化，物理变化，化学变化和体积变化是永远也不会停止的。所以，大自然中的能量也是永远取之不尽的。


能量守恒定律的来源



从前，有一位名人手拿着椅子，碰撞了一下桌子。并且留下了一句名言：“手作用于椅子的能量是多少，椅子得到的能量也就是多少；桌子得到的能量是多少，椅子失去的能量也就是多少。”——这是最初的能量守恒定律。

后来有些人发展了这句名言：“手可以代表一切发动机，椅子可以代表发电机，桌子可以代表电车、电灯、电炉、电扇、电视机和电动抽水机……这样，发动机的机械能可以转化成电能，电能又可以转化成机械能、光能、热能、风能、声能和水能……在大自然中，机械能、电能、光能、热能、风能、声能和水能都可以转化成化学能，化学能又可以在大自然中重新转化成机械能。在化学能、机械能、电能、光能、热能、风能、声能和水能互相转化的过程中，虽然存在着效率问题，但是，能的总量是守恒的。”——这是现在流行的能量转化与守恒定律。

如果没有“热能在做负功时减少，”能量转化与守恒定律，好像能转得很圆。

认真地看看：手拿着椅子碰撞桌子的过程。我们可以知道“手作用于椅子的能量”，其实就是牛顿运动定律中的作用力。能量守恒定律其实就是牛顿运动定律