能量守恒定律

能量守恒定律

能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。一般表述为：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。也可以表述为：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、内能（热能）及除机械能和内能以外的任何形式能量的总和。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。”

能量守恒定律发现于19世纪40年代，它是在5个国家、由各种不同职业的10余位科学家从不同侧面各自独立发现的。其中迈尔、焦耳、亥姆霍兹是主要贡献者。是自然科学中最基本的定律之一，它科学地阐明了运动不灭的观点。

表述本质

常见表述：能量既不会凭空产生也不会凭空消失，它只会从一个物体转移到另一个物体，或者从一种形式转化为另一种形式，而在转化或转移的过程中，能量总量保持不变。

热力学第一定律：普遍的能量守恒和转化定律在一切涉及宏观热现象过程中的具体表现。热力学第一定律确认，任意过程中系统从周围介质吸收的热量、对介质所做的功和系统内能增量之间在数量上守恒。

热力学第一定律即能量守恒定律，它是人类经验的总结，也可以用物质守恒定理类推而得。热力学系统能量表达为内能、热量和功，热力学第一定律是能量守恒的一种表达形式。从它导出的结论，还没有发现与事实有矛盾。根据热力学第一定律可以设想，要制造一种机器，它既不靠外界供给能量，本身也不减少能量，却不断地对外做功而不消耗能量。人们把这种假想的机器称为第一类永动机。因为对外界做功就必须消耗能量，不消耗能量就无法对外界做功，因此第一定律也可以表达为“第一类永动机是不可能造成的”。反过来，第一类永动机永远不能造成，也就证明了第一定律是正确的。

热力学第一定律还可表述为第一类永动机（一种能不断自动做功而无须消耗任何燃料和能源的机器）是做不成的。

当系统是开放的，它和介质之间不仅有热的和机械的相互作用，还有物质交换，则热力学第一定律的表述中还应增加一项因物质交换引起的能量的增量或减量。

机械能是物体在力学现象中所具有的能量形式，包含动能和势能（位能），即机械能=动能+势能。

在一个封闭的力学系统（保守力学系统）中，只有保守力做功，没有机械能与其他形式能量之间相互转换时，则机械能守恒，系统能量表现为机械能。能量守恒具体表现为机械能守恒定律。机械能守恒定律是能量守恒定律的一个特例。

能量守恒定律表明，能量只能从一种形式变为另一种形式而无法凭空产生或者是消灭。能量守恒是时间的平移对称性（平移不变性）得出的数学结论（见诺特定理）。

根据能量守恒定律，流入的能量等于流出的能量加上内能变化。

此定律是物理学中相当基本的判据。依照时间的平移对称性（平移不变性），物理定律（定理）在任何时间都成立。

在狭义相对论中能量守恒定律表现为质能守恒定律。质能守恒定律是能量守恒定律的特殊形式。质能公式E=mc2描述了质量与能量对应关系。在经典力学中，质量和能量之间是相互独立的，但在相对论力学中，能量和质量是物体力学性质的两个方面的同一表征。在相对论中质量被扩展为质量-能量。原来在经典力学中独立的质量守恒和能量守恒结合成为统一的质能守恒定律，充分反映了物质和运动的统一性。

单一质量粒子的相对论能量包括其静止质量及其动能。若一质量粒子动能为零（或在相对静止参考系中），或是一个有动能的系统在动量中心系中，其总能量（包括系统内部的动能）和其静止质量或不变质量有关，其关系式即为著名的E=mc2。

因此只要观测者的参考系没有改变，狭义相对论中能量对时间的守恒性仍然成立，整个系统的能量仍然不变，位在不同参考系下的观测者会量测的能量大小不同，但各观测者量到的能量数值都不会随时间改变。不变质量由能量-动量关系式所定义，是所有观测者可以观测到的系统质量和能量的最小值，不变质量也会守恒，而且各观测者量测到的数值均相同。

人们根据大量实验确认了能量守恒定律，即不同形式能量之间相互转换时，其量值守恒。焦耳热功当量实验是早期确认能量守恒定律的有名实验，而后在宏观领域内建立了能量转换与守恒的热力学第一定律。康普顿效应确认能量守恒定律在微观世界仍然正确，后又逐步认识到能量守恒定律是由时间平移不变性决定的，从而使它成为物理学中的普遍定律（见对称性和守恒律）。

应当注意，能量这一概念有其应用范围，根据广义相对论，在一定条件下就不再能使用能量这种量度。