能量守恒定律(energy conservation law)即热力学第一定律是指在一个封闭(孤立)系统的总能量保持不变。其中总能量一般说来已不再只是动能与势能之和,而是静止能量(固有能量)、动能、势能三者的总量。

能量守恒定律可以表述为:一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。总能量为系统的机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和。

如果一个系统处于孤立环境,即不可能有能量或质量传入或传出系统。对于此情形,能量守恒定律表述为:

“孤立系统的总能量保持不变。”

能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到其它物体,而能量的总量保持不变。能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。

能量定义

能量是物质运动转换的量度,简称“能”。世界万物是不断运动的,在物质的一切属性中,运动是最基本的属性,其他属性都是运动的具体表现。能量是表征物理系统做功的本领的量度。

能量(energy)是物质所具有的基本物理属性之一,是物质运动的统一量度。

能量的单位与功的单位相同,在国际单位制中是焦耳(J)。在原子物理学、原子核物理学、粒子物理学等领域中常用电子伏(eV)作为单位,1电子伏=1.602,18×10-19焦。物理领域,也用尔格(erg)作为能量单位,1尔格=10-7焦。

能量以多种不同的形式存在;按照物质的不同运动形式分类,能量可分为机械能、化学能、热能、电能、辐射能、核能。这些不同形式的能量之间可以通过物理效应或化学反应而相互转化[2]。各种场也具有能量。

能量的英文“energy”一字源于希腊语:ἐνέργεια,该字首次出现在公元前4世纪亚里士多德的作品中。伽利略时代已出现了“能量”的思想,但还没有“能”这一术语。能量概念出自于17世纪莱布尼茨的“活力”想法,定义于一个物体质量和其速度的平方的乘积,相当于今天的动能的两倍。为了解释因摩擦而令速度减缓的现象,莱布尼茨的理论认为热能是由物体内的组成物质随机运动所构成,而这种想法和牛顿一致,虽然这种观念过了一个世纪后才被普遍接受。

能量(Energy)这个词是T.杨于1807年在伦敦国王学院讲自然哲学时引入的,针对当时的“活力”或“上升力”的观点,提出用“能量”这个词表述,并和物体所作的功相联系,但未引起重视,人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。1831年法国学者科里奥利又引进了力做功的概念,并且在“活力”前加了1/2系数,称为动能,通过积分给出了功与动能的联系。1853年出现了“势能”,1856年出现了“动能”这些术语。直到能量守恒定律被确认后 ,人们才认识到能量概念的重要意义和实用价值。

空间属性是物质运动的广延性体现;时间属性是物质运动的持续性体现;引力属性是物质在运动过程由于质量分布不均所引起的相互作用的体现;电磁属性是带电粒子在运动和变化过程中的外部表现,等等。物质的运动形式多种多样,每一个具体的物质运动形式存在相应的能量形式。

宏观物体的机械运动对应的能量形式是动能;分子运动对应的能量形式是热能;原子运动对应的能量形式是化学能;带电粒子的定向运动对应的能量形式是电能;光子运动对应的能量形式是光能,等等。除了这些,还有风能、潮汐能等。当运动形式相同时,物体的运动特性可以采用某些物理量或化学量来描述。物体的机械运动可以用速度、加速度、动量等物理量来描述;电流可以用电流强度、电压、功率等物理量来描述。但是,如果运动形式不相同,物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量,能量是一切运动着的物质的共同特性。