《四能量转化与守恒定律的确定课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四能量转化与守恒定律的确定课件.ppt（51页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、能量转化与守恒定律的确立,思考题,1、能量守恒原理的初步思想，在近代自然科学发展的哪时期就盟发出来的,是哪个学科最先提出来的，被称为什么定律?2、“功”这一概念是在哪个国家、从哪个方面的研究中引入物理学的？ 3、 “能量”这一概念，最早是由谁于哪一年提出的？ 4、德国哲学家黑格尔提出了各种现象之间相互联系和转化的思想包括哪些内容？,能量转化与守恒定律的确立,一、运动不灭思想的发展二、各种自然现象之间联系与转化的发现三、几位科学家的工作四、能量转化与守恒定律的确立,一、运动不灭思想的发展,1、“运动不灭”思想的提出 运动不灭思想早在中国古代和古希腊，就已被哲学家们提出 1644年，笛卡尔明确指出
2、物质有一个一定量的运动，这个量是从来不增加也从来不减少的几乎与笛卡尔同时，明末清初的思想家王夫之也通过实践的观察，从哲学上提出了运动不灭思想,2、能量守恒原理的初步思想 能量守恒原理的初步思想，在近代自然科学发展的初期就盟发出来，而且是在力学中最先提出来的，一直被称为“活力守恒”定律（机械能守恒）,伽利略、惠更斯、莱布尼茨和D伯努利等人对这一定律的建立都做出过自己的贡献。 伽利略将力与路程的乘积称为“矩”；莱布尼茨把与重量和高度的乘积等值的运动作为基本量量来考察运动的量度“活力”。,从1820年起，在法国出版的一系列工程技术论著中，“功”这个概念逐渐被确立为一个重要概念。法国工程师卡诺以重物与
3、升高和乘积来评价机器的功效，他把这个量称为“作用矩”。法国数学家蒙日把功作为“动力效应”。1829年，法国物理学家科里奥利坚决主张活力应表示为，因为这样一来它在数值上就会等于它所做的功。法国工程师彭塞利在同年明确地推荐了“功”这一术语，并提出了机械过程中的能量守恒原理：功的代数和的二倍等于活力的和；任何时候都不能从无中产生功或活力，功或活力也不能转化为无，而只能组成无。这样，“功”这一概念就从机械效率的研究中引入物理学。,“能量”这一概念，最早是由英国物理学家托马斯.杨于1807年提出的。他在他的自然哲学讲义中写道：“应该用能量一词来表示物体的质量或重量与表示速度的数的平方的乘积”不过他的这个
4、意见并未引起人们的重视，直到1853年才被W .汤姆孙所采用。,3.永动机的研究,随着“能量”的提出，人们开始致 力于永动机的研究 早期一个很著名的永动机设计方案， 是13世纪一个名叫亨内考的法国人提出 来的，亨内考在一个轮子的边缘等距地 安装12根活杆，杆端装以重锤他设想，当轮子转起来后，由于右侧的重锤距轮心更远些，就会驱使轮子永不息地沿着顺时针方向转动下去，至少要转到轮轴磨坏时为止，但实际上轮子仅转动了12圈后就停下来了,亨内考的永动机,马尔基斯的永动机,17世纪，英国的一个名叫马尔基 斯的犯人，做了一台转轮永动机转 轮的直径约4.3米， 有12个质量均为 23千克的重球沿转轮辐条向外运动
5、， 轮流驱使转轮不断转动据说他曾向英国国王查理一世表演过这一装置，国王见了十分高兴，就释放了他，其实这台机器由于有较大的自重，经推动后能依靠惯性维持一段时间，终究还是要停止转动的,二各种自然现象之间联系与转化的发现,自然科学方面完成的一系列重大发现，日益揭示出各种自然现象之间的普遍联系和转化德国哲学家黑格尔提出了各种现象之间相互联系和转化的思想 1、机械运动与热之间的转化 2、热与电之间的转化 3、机械运动与电之间的转化 4、电与磁之间的转化 5、化学与电之间的转化 6、其他形式的相互之间的转化,1. 机械运动与热之间的转化,古代早已发现的摩擦生热现象，直接表明了机械运动向热的转化伦福德和戴维
6、的实验进一步证实了这种转化 17、18世纪蒸汽机的发明和改进，为热向机械运动的转化做出令人信服的证明,1821年，德国物理学家塞贝克(1780-1831) 将铜导线与铋导线连成一个闭合回路，用手握住一个结点使两个结点间出现了温差，塞贝克发现导线上出现了电流；用冷却一个结点的方法可以产生同样的效应，这就是“温差电”现象 1834年，法国的瑚耳帖(1785-1845)发现了它的逆效应在用铜导线和锑导线连成的回路上，当电流由铜流向锑时，结点处温度则下降了5，实现了电向热的转化 1840年和1842年，焦耳和楞次分别发现了电流转化为热的著名定律-焦耳-楞次定律,2. 热与电之间的转化,3. 机械运动与
7、电之间的转化,古人早已发现的摩擦生电的现象，是机械运动转化为电的过程17世纪以来，人们根据这一现象制造了摩擦起电机以获得大量的电荷 1821年，法拉第制成的“电磁旋转器”则是电流产生机械运动的过程 这样，机械运动和电运动之间的转化完成了循环.,当电流通过电极以及杯中的水银时，磁棒就绕着电流周围旋转,4. 电与磁之间转化,1820年奥斯特关于电流的磁效应以及1831年法拉第的电磁感应现象的发现，使电和磁之间的转化完成了循环,电生磁,磁生电,5. 化学与电之间转化,1800年，伏打经过研究制成了“伏打电堆”，实现了化学运动向电运动的转化,不久，人们利用电流进行电解，（比如：充电器、电解电容）实现了
8、电运动向化学运动的转化,伏打电堆,将两种金属（锌和铜）板插到盛有盐水或稀酸的杯子里，只要将两种金属用导线接通，就有电流产生把杯子一个个串接起来，就形成电池组（用手握住两端导线，身体就有触电的感觉）,6. 其他形式的相互间转化,在18世纪，德国化学家李比希(JustusLiebig，1803 -1873)通过对发酵和腐烂过程中热的来源的进一步探讨，得出了它们可能来自化学变化的结论 1801年，德国人李特尔研究了紫外线的化学作用；,1839年, 法国人E.A贝克勒尔发现光照射稀酸液中金属板极能够改变电池的电动势；,1845年，法拉第发现光的偏振面的磁致偏转,这都是不同运动形式之间的联系和转化！,自
9、然科学上的这类发现，在哲学上也得到了反映德国哲学家黑格尔(G.F.W.Hegel,1770-1831)提出了各种自然现象之间联系和转化的思想 谢林(F.W.J.vonSchelhng, 1775-1854)进一步断言，磁的、电的、化学的、甚至有机现象都会被编织成一个综合体系；谢林还指出，光、电等现象都不过是同一种力的不同形式这种观点，为发现能量守恒原理提供了有利的哲学环境,到了19世纪40年代前后，欧洲科学界已经普遍蕴含着一种思想气氛，以一种联系的观点去观察自然现象正是在这种情况下，以西欧为中心，从事七八种专业的十多位科学家，分别通过不同的途径，各自独立地发现了能量守恒原理,三. 几位科学家的
10、工作,1. 迈尔的工作2. 亥姆霍兹的工作3. 焦耳的工作4. 其他科学家的工作,1. 迈尔的工作,1840年，罗伯特迈尔(RobertMayer，1814-1878)在一艘荷兰船上当随船医生在船从苏腊巴亚驶近爪哇时，迈尔发现患病船员的静脉血比在欧洲时红一些，在拉瓦锡的燃烧理论的启示下，他想到在热带高温的情况下人体只需从食物中吸收较少的热量，这使人体中食物的氧化过程减弱，因而在静脉血中留下了较多的氧这个现象促使迈尔去思考各种自然力之间的相互转化,1841年航行结束后，迈尔将自己的发现写成一篇论文寄给德国权威性刊物物理学和化学年刊由于缺少精确的实验根据以及迈尔在数学和物理学知识上的缺陷，这篇论文
11、没有获得发表这激励迈尔发奋自学了数学和物理学，重新写成了论无机界的力，被发表在化学和药学年刊1842年5月号上在这篇论文中，迈尔从哲学的角度得出了“力就是不灭的、能转化的、无重量的客体”的结论他所说的“力”在当时就是指 “能量”迈尔以“下落力”(重力势能)、运动的“力”(动能)和热的转化具体论证了力的转化和守恒,1854年，迈尔自费出版了论有机运动与新陈代谢，在这篇论文中，他首先肯定了力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律接着迈尔考察了5种不同形式的“力”，即“运动的力”、“下落力”、“热”、“电”和“化学力”，描述了运动转化的25种情况，做出了否定热质和其他无重流质的结论 迈尔根据当气体的温
12、度发生确定的变化时，定压过程中吸收的热量大于定容过程中吸收的热量的事实，计算出热功当量的数值为J=365千克米/干卡，相当于J=3.48焦耳/卡这个计算方法实际上就是后来所说的迈尔公式CP-CV=R的另一种形式,迈尔还把自然力的转化与守恒原理推广到生物机体中，指出了在机体内发生着化学力转化为其他自然力的复杂过程，并说明地球上的各种力都是太阳供给的，如植物把太阳的光和热转化为化学力，动物通过消化食物又把这种化学力转化为体热和肌肉运动的机械力,2. 亥姆霍兹的工作,1847年，德国科学家亥姆霍兹(Hermann Helmholtz，1821-1894)自费出版了论力的守恒这一著名的著作，从物理假设
13、和已有的物理理论出发，导出可与经验相比较的结论，论证了能量守恒原理 在“导言”中，亥姆霍兹首先提出了建立能量守恒原理的两个出发点：“或者从不可能借自然界物体的任何组合的作用而获得无限量作功的力这一原理出发；或者假定自然界中一切作用都可以归结为引力和斥力，其强度仅取决于相互作用的质点间的距离”,亥姆霍兹认为自然科学的基本任务就在于 “把自然界种种现象归结为固定不变的吸力或斥力，它们的强度取决于距离”他指出：“某质点在有心力作用下位移时，其活力的增加等于与它距离的改变相对应的张力的总和” 亥姆霍兹证明了这种力的保守性同永动机的不可能实现彼此是同一的，并得出了更普遍的“力的守恒原理”：“当自由质点在
14、引力和斥力 (它们的值取决于距离)的作用下而运动的一切场合，所具有的活力和张力的总和是守恒的”,亥姆霍兹具体研究了能量守恒原理在各种物理、化学过程中的应用，指出，在万有引力作用下产生的一切运动(包括天体的运动和地球上有重物体的运动)，用不可压缩的固体或液体传递的运动(如由简单机械所传递和改变的运动)，完全弹性固体或液体的运动 (包括菲涅耳用活力守恒定律导出光的折射和偏振)，波的吸收和辐射热等，都符合 “力的守恒原理”,亥姆霍兹通过非弹性碰撞、摩擦等过程研究了“热的力当量”，指出在这些情况下，如果发生了活力的损失，那就会产生其他形式的“力”，首先是热因此，“热的数量可以通过机械力来使之增加，因此
15、，热现象不可能用一种物质推论出来，不可能以这种物质的存在为条件，而只能从某些熟知的有质体的变化和运动中，或者是从无质体如电或以太的变化或运动中推论出来”,亥姆霍兹还分析了电和磁的现象，得出了不同情况下能量的表达式；并从力的守恒原理出发，否定了长期以来引起激烈争论的关于伽伐尼电流的来源的“接触说” 在论文的最后一部分，亥姆霍兹讨论了把力的守恒原理应用到生物机体中去的可能性 这样，亥姆霍兹就系统地证明了力的守恒定律 “与自然科学中任何一个已知现象都不矛盾”，他确信 “这个定律的完全证实将是不远的未来物理学家们的基本任务之一”,3. 焦耳的工作,焦耳 (JaneSPreSCottJoule，1818
16、一1889)关于热功当量的测量，为能量守恒原理的确立奠定了坚实的实验基础 焦耳是英国曼彻斯特一个富有的酿酒商和业余科学家1837年，焦耳在工厂装配了用电池驱动的磁电机，并对它进行了多方面的实验测试,在测试中焦耳注意到电机和电路中的发热现象，他想到这和机器中的摩擦生热一样，都是动力损失的来源，这促使他对电流的热效应进行了定量研究他在玻璃管中装入水银，通以强弱不同的电流，测出一定时间内相应的温度变化，从而发现了导体的发热量与电流强度的平方成正比他又利用不同尺寸的导体进行实验，发现一定的电流在一定的时间内产生的热量与导体的电阻成正比 在1840年写出的论伏打电所产生的热的论文中，焦耳得出了“在一定时
17、间内伏打电流通过金属导体产生的热与电流强度的平方和导体电阻的乘积成正比”的结论,1841年焦耳又写了电解时在金属导体和电池组中放出的热一文，得出结论说，电路中所放出的热量和电池中化学变化所产生的热量正好相等；电流的机械动力和产生热的能力都与电流强度有相同的比例关系，所以二者成正比这里焦耳已经接近了热、电、化学能的等价性的概念 焦耳想到，磁电式发电机的感生电流应该与来自化学电源的电流一样地产生热效应焦耳使一个线圈在电磁体的两极之间转动产生感应电流，线圈放在量热器内这个实验完全证实了热可以由磁电机产生 焦耳从这个实验立即领悟到热和机械功可以互相转化，在转化过程中遵从一定的当量关系,焦耳在磁电机线圈
18、的转轴上绕两条线，跨过两个定滑轮后挂上几磅重的硅码，由珐码的重量和下落距离可以计算出所做的功焦耳共做了13组实验，得出了一个平均结果:“能使1磅水的温度升高华氏1度的热量，等于(并可转化为)把838磅重物提升1英尺的机械功”这个值相当于460干克米/千卡这个结果被总结到他1843年8月21日宣读的论磁电的热效应和热的机械值论文中 1844年，焦耳又做了测定空气在压缩和膨胀时产生的热量变化的实验，求得了热功当量的平均值798磅码/英热单位,焦耳设计了一个这样的实验：使一个绕在铁芯上的小线圈在一电磁体的两极间转动，由一两个滑轮挂以适当重量的砝码带动，把线圈放进一个盛水的量热器里以测定水温升高所获得
19、的热量,实验结果： 磁电机的线圈所生成的热量正比于电流的平方水温的 升高完全是由于机械能转化为电，电又转化为热量的结果.,最后测得热功当量大约为:460千克米/千卡,1847年6月，在牛津举行的英国科学促进协会的会议上，焦耳报告了他用珐码下落带动铜制的翼轮分别搅动水、鲸脑油和水银的实验，测得热的机械当量分别为781.5磅码/英热单位、782.1磅码/英热单位和787.6磅码/英热单位,实验仪器,1849年6月21日，焦耳在论文论热的机械当量中，全面地整理了他用摩擦水、水银和铸铁的方法测定热功当量的实验结果，最后得出两个重要结论: 第一，由物体(不论固体或液体)的摩擦所产生的热量总是与所消耗的力
20、之量成正比； 第二，要使1磅水 (在真空中和550F600F时称量)的温度升高l0F ，需要消耗相当于使772磅的重物下落1英尺的机械力,焦耳测定热功当量的工作从1840年一直进行1878年，用了近40年的时间，先后采用不同的方法做了400多次实验，以精确的数据为能量守恒原理提供了无可置疑的实验证明1850年，焦耳当选为英国皇家学会会员,4. 其他科学家的工作 除迈尔、亥姆霍兹和焦耳之外，这一时期还有不少人进行了同一问题的探索 S.卡诺在1830年己经认识到热质说的错误，认识到热是“改变了形式的运动”，热的损失必定有动力的产生他由此得出一个普遍的命题:在自然界中存在的动力，在量上是不变的他还给
21、出热功当量的数值:370千克米/千卡卡诺的这个发现的遗稿在1878年才被公布,英国律师格罗夫(WilliamRobertGrove,l8u一1896)于1842年从电的研究中认识到一切物理力，甚至包括化学力，在一定的条件下都可以相互转化而不发生任何损失 丹麦工程师柯尔丁 (Ludwig AuguStColding,1815-1888)于1843年也提出了他用摩擦实验测定热功当量的报告，他同样得到了力的守恒的结论 这样，从19世纪30年代到50年代，许多人彼此独立地以不同的形式提出了能量守恒的思想这一重要发现，生动地表明了科学的发展受到社会生产发展和科学内在逻辑发展规律的制约,四. 能量转化与守
22、恒定律的确立,1840年，彼得堡科学院的黑斯 (GHHeSS，1802-1850)提出了关于化学反应中释放热量的重要定律这个定律指出，在一组物质转变为另一组物质的过程中，不管反应是通过哪些步骤完成的，释放的总热量是恒定的这个定律已经接触到化学反应中的能量守恒原理,1853年，W.汤姆孙重新恢复了“能量”概念，并给予它一个精确的定义：“我们把给定状态中的物质系统的能量表示为，当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用的总和” 格拉斯哥的力学教授兰金(William John Rank-ine，1820一1872)就首先把“力的守恒原理
23、”改称为“能量守恒原理”，大约到了1860年左右，这个原理才得到普遍承认，而且很快成为物理学和全部自然科学的重要基石,在能量守恒定律的发现过程中，热和机械功的转化与守恒关系的研究起到了直接和关键性的作用在迈尔和焦耳的对热功当量的研究之后，物理学家主要展开了两个方面的工作一方面是继续测定和计算热功当量；另一方面则是从热功转化和守恒关系出发，深入研究热功转化的机制与规律性德国物理学家克劳修斯 (R.E.Clausius，1822-1888)着眼于热功转化过程中介质 (主要是空气和水蒸气)的做功，即从功的角度进行研究,1850年，克劳修斯在发表论热的动力和可由此推导热学本身的定律的论文中，从热是物质
24、的粒子的一种运动的观点提出热功转化过程中，一部分热量可转化为机械功，并可用力学原理进行推导和计算；另一部分热量由热体向冷体传导，而使冷体的温度升高前一部分的热量消失，以机械功的形式表现出来；后一部分的热量并未消失，而是传导到冷体上去了通过这样的分析，克劳修斯在热转化为机械功的基础上建立了热力学第一定律:在一切热作功的情况中，产生的功与消耗的热量成比例反之，通过消耗同样大小的功，将能产生同样数量的热量,在论文中，克劳修斯从热是运动的观点对热机的工作过程进行了新的分析：把迈尔、焦耳关于热功当量的结论和卡诺关于热机效率的结论看做热学理论的两个基本定律他根据第一个基本定律指出，在热机做功过程中，一部分
25、热量被消耗了，另一部分热量从热物体传到了冷物体，这两部分热量和所产生的功之间存在如下的关系: dQ表示传递给物体的热量，dW表示所做的功；U是克劳修斯第一次引入热力学的一个新的函数.,克劳修斯认为U函数，“它包括添加的自由热和变成内功所耗去的热”，是体积和温度的一个函数，并由变化过程的初态和终态完全确定 实际上，克劳修斯在提出热力学第一定律后的十多年中，对U的真正物理意义并不十分清楚直到1865年，他才同意W汤姆孙和亥姆霍兹的意见，称之为内能,能量守恒定律把各种自然现象用定量的规律联系起来，指出了机械运动、热运动、电磁运动和化学运动等，都不过是同一的运动在不同条件下的各种特殊形式，它们在一定条
26、件下可以相互转化而不发生量上的任何损耗任何一种科学理论，都必须经受住能量守恒原理的检验,不过，这一重要原理的发现者们都只是从量上强调了能量的“守恒”1885年，恩格斯首先指出了这种表述的不完善性，恩格斯认为运动的不灭不能仅仅从数量上去把握，而且还必须从质的转化上去理解他把这个原理改述为“能量转化与守恒定律”，准确而深刻地反映了这一定律的本质内容,能量转化与守恒定律的意义： 一方面：它把各种自然现象用定量的规律联系起来，找到了各种现象的公共量度能量，说明了不同的运动形式在相互转化中有量的共同性 另一方面：它还从质上表明了一种运动形式转化为其他运动形式的无限可能性，说明运动形式相互转化的能力也是不灭的，是物质本身所固有的,大量的事实证明: 各种形式的能都可以相互转化,并且在转化过程中守恒.,能量守恒定律的文字表述: 能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为别的形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中其总量不变.,
