能量守恒定律
墨菲定律能量守恒定律適用于物理的能量學，它的提出者是托馬斯楊。下面是學習啦小編給大家整理的能量守恒定律，供大家參閱!
能量守恒定律定義
能量是物質運動轉換的量度，簡稱“能”。世界萬物是不斷運動的，在物質的一切屬性中，運動是最基本的屬性，其他屬性都是運動的具體表現。能量是表征物理系統做功的本領的量度。
能量(energy)是物質所具有的基本物理屬性之一，是物質運動的統一量度。
能量的單位與功的單位相同，在國際單位制中是焦耳(J)。在原子物理學、原子核物理學、粒子物理學等領域中常用電子伏(eV)作為單位，1電子伏=1.602,18×10-19焦。物理領域，也用爾格(erg)作為能量單位，1爾格=10-7焦。
能量以多種不同的形式存在;按照物質的不同運動形式分類，能量可分為機械能、化學能、熱能、電能、輻射能、核能。這些不同形式的能量之間可以通過物理效應或化學反應而相互轉化 。各種場也具有能量。
能量的英文“energy”一字源于希臘語：ἐνέργεια，該字首次出現在公元前4世紀亞里士多德的作品中。伽利略時代已出現了“能量”的思想，但還沒有“能”這一術語。能量概念出自于17世紀萊布尼茨的“活力”想法，定義于一個物體質量和其速度的平方的乘積，相當于今天的動能的兩倍。為了解釋因摩擦而令速度減緩的現象，萊布尼茨的理論認為熱能是由物體內的組成物質隨機運動所構成，而這種想法和牛頓一致，雖然這種觀念過了一個世紀后才被普遍接受。
能量(Energy)這個詞是T.楊于1807年在倫敦國王學院講自然哲學時引入的，針對當時的“活力”或“上升力”的觀點，提出用“能量”這個詞表述，并和物體所作的功相聯系，但未引起重視，人們仍認為不同的運動中蘊藏著不同的力。1831年法國學者科里奧利又引進了力做功的概念，并且在“活力”前加了1/2系數，稱為動能，通過積分給出了功與動能的聯系。1853年出現了“勢能”，1856年出現了“動能”這些術語。直到能量守恒定律被確認后 ，人們才認識到能量概念的重要意義和實用價值。
空間屬性是物質運動的廣延性體現;時間屬性是物質運動的持續性體現;引力屬性是物質在運動過程由于質量分布不均所引起的相互作用的體現;電磁屬性是帶電粒子在運動和變化過程中的外部表現，等等。物質的運動形式多種多樣，每一個具體的物質運動形式存在相應的能量形式。
宏觀物體的機械運動對應的能量形式是動能;分子運動對應的能量形式是熱能;原子運動對應的能量形式是化學能;帶電粒子的定向運動對應的能量形式是電能;光子運動對應的能量形式是光能，等等。除了這些，還有風能、潮汐能等。當運動形式相同時，物體的運動特性可以采用某些物理量或化學量來描述。物體的機械運動可以用速度、加速度、動量等物理量來描述;電流可以用電流強度、電壓、功率等物理量來描述。但是，如果運動形式不相同，物質的運動特性唯一可以相互描述和比較的物理量就是能量，能量是一切運動著的物質的共同特性。
不同形式的能量之間可以通過物理效應或化學反應而相互轉化。
對應于物質的各種運動形式，能量有各種不同的形式。在機械運動中表現為物體或體系整體的機械能，如動能、勢能、聲能等。在熱現象中表現為系統的內能，它是系統內各分子無規運動的動能、分子間相互作用的勢能、原子和原子核內的能量的總和，但不包括系統整體運動的機械能。對于熱運動能(舊稱熱能)，人們是通過它與機械能的相互轉換而認識的(見熱力學第一定律)。各種場也具有能量 。
機械能、化學能、熱能、電(磁)能、輻射能、核能等不同類型的能量之間相互轉化的方式多種多樣。例如，最常見的電能(交流電和電池)可以由多種其他形式的能量轉變而來，如機械能–電能的轉變(水力發電)、核能–熱能–機械能–電能的轉變(核能發電)、化學能–電能的轉變(電池)等 。
能量守恒定律實驗驗證
焦耳熱功當量實驗是早期確認能量守恒的有名實驗。在保持總能量不變的前提下，固有能量、動能、勢能之間可以相互轉化。最典型的例子就是在正電子和負電子湮沒成光子的過程中，正負電子的全部固有能量(對應于靜止質量)轉化成了光子能量即電磁輻射能(相應的質量為光子的動質量)。又如在原子核裂變過程中，部分固有能量轉化為動能。一個有多種成分組成的復合系統，其整體的固有能量(或靜質量)是各組成部分的固有能量(或靜質量)與相互作用勢能的總和。例如，穩定原子核的靜質量要比構成它的核子(質子和中子)的靜質量之和為小，兩者之差稱為質量虧損，與之相應的能量就是原子核的結合能(來自核子之間的相互作用勢能);核能就是原子核反應過程中釋放出來的原子核結合能，它是質能關系的直接證據。
能量守恒定律和動量(角動量)守恒定律成功應用的最典型事例是基本粒子實驗中中微子的發現。中微子是一種靜止質量微小、不帶電且與物質相互作用極其微弱的基本粒子。20世紀20年代末30年代初，對原子核β衰變能譜的研究發現衰變后發射出的電子(即β射線)帶走的能量比它按能量守恒定律所應帶走的能量要小(似乎丟失了部分能量)，而且原子核的自旋與電子的自旋不符合量子力學中的角動量合成規則。為了解釋這種現象，要么放棄能量和角動量守恒定律，要么假定有一種未能觀測到的基本粒子即中微子存在，以便保持這些守恒定律成立。物理學家最終選擇了后者，并且利用其他的基本粒子實驗證實了中微子(和反中微子)的存在，能量守恒定律和動量(角動量)守恒定律在這些過程中仍然有效。
上述狹義相對論能量、質量、動量的概念和定義，以及能量守恒定律和動量(角動量)守恒定律，或者更一般的能量–動量守恒定律(角動量守恒包含在其中)，不僅適用于力學現象，而且適用于整個平直時空中的物理學 。
能量守恒定律理論詮釋
在愛因斯坦的狹義相對論中，能量是四維動量中的一個分量。在任意封閉系統，在任意慣性系觀測時，這個向量的每一個分量(其中一個是能量，另外三個是動量)都會守恒，不隨時間改變，此向量的長度也會守恒(閔可夫斯基模長)，向量長度為單一質點的靜止質量，也是由多質量粒子組成系統的不變質量(即不變能量)。
在量子力學中，量子系統的能量由一個稱為哈密頓算符的自伴算符來描述，此算符作用在系統的希爾伯特空間(或是波函數空間)中。若哈密頓算符是非時變的算符，隨著系統變化，其出現概率的測量不隨時間而變化，因此能量的期望值也不會隨時間而變化。量子場論下局域性的能量守恒可以用能量-動量張量運算子配合諾特定理求得。由于在在量子理論中沒有全域性的時間算子，時間和能量之間的不確定關系只會在一些特定條件下成立，與位置和動量之間的不確定關系作為量子力學基礎的本質有所不同(見不確定性原理)。在每個固定時間下的能量都可以準確的量測，不會受時間和能量之間的不確定關系影響，因此即使在量子力學中，能量守恒也是一個有清楚定義的概念。
能量守恒定律是許多物理定律的特征。以數學的觀點來看，能量守恒是諾特定理的結果。如果物理系統在時間平移時滿足連續對稱，則其能量(時間的共軛物理量)守恒。相反的，若物理系統在時間平移時無對稱性，則其能量不守恒，但若考慮此系統和另一個系統交換能量，而合成的較大系統不隨時間改變，這個較大系統的能量就會守恒。由于任何時變系統都可以放在一個較大的非時變系統中，因此可以借由適當的重新定義能量來達到能量的守恒。對于平坦時空下的物理理論，由于量子力學允許短時間內的不守恒(例如正-反粒子對)，所以在量子力學中并不遵守能量守恒。
能量守恒定律根據諾特定理，表達了連續對稱性和守恒定律的對應。守恒定律是物質運動過程中所必須遵守的最基本的法則，它已成為物理學中一個最普遍而深刻的觀念。例如，物理定律不隨著時間而改變，這表示它們有關于時間的某種對稱性。諾特定理和量子力學深刻相關，因為它僅用經典力學的原理就可以辨別和海森堡不確定性原理相關的物理量(譬如時間和能量)。對于時間平移的不變性給出了著名的能量守恒定律。
時空表現為均勻和各向同性的，坐標系原點的平移和坐標軸的轉動都是對稱變換，它們構成非齊次洛倫茲群，又稱龐加萊群。在龐加萊群中，與平移生成元對應的物理量為能量-動量矢量。能量、動量守恒以及角動量守恒與時空均勻性和各向同性直接相關，它不依賴于物質的具體內容。不論是微觀的還是宏觀的，是粒子還是場，所有在均勻和各向同性的時空中運動的物質都遵守能量、動量和角動量的守恒律 。
能量守恒定律解釋
熱力學第一定律的思想最初是由德國物理學家J.邁爾在實驗的基礎上于1842年提出來的。在此之后，英國物理學家J.焦耳做了大量實驗，用各種不同方法求熱功當量，所得的結果都是一致的。也就是說，熱和功之間有一定的轉換關系。以后經過精確實驗測定得知1卡=4.184焦。1847年德意志科學家H.亥姆霍茲對熱力學第一定律進行了嚴格的數學描述并明確指出：“能量守恒定律是普遍適用于一切自然現象的基本規律之一。” 到了1850年，在科學界已經得到公認。
確認作為守恒量的能量的存在始于17世紀末，當時G.萊布尼茨觀測到地球重力場中質點能量(mv2/2+mgh)守恒。焦耳從19世紀40年代起，確認熱只是能量存在的一種形式，為熱力學第一定律奠定了基礎。1905年愛因斯坦把能量與物質的靜止質量聯系起來，給出了著名的質能關系式。為了解釋β衰變過程中“消失掉”的那一部分能量，W.泡利提出，必然還有一種未被認識的粒子。后來E.費米把這種粒子命名為中微子，把那一部分“消失掉”的能量又找了回來。
熱力學第一定律確認：任何系統中存在單值的態函數——內能，孤立系統的內能恒定。一個物體的內能是當物體靜止時，組成該物體的微觀粒子無規則熱運動動能以及它們之間的相互作用勢能的總和。宏觀定義內能的實驗基礎是，系統在相同初終態間所做的絕熱功數值都相等，與路徑無關。由此可見，絕熱過程中外界對系統所做的功只與系統的某個函數在初終態之間的改變有關，與路徑無關。這個態函數就是內能。它可通過系統對外界所做的絕熱功As加以定義：U2-U1=-As，式中的負號表示對外做功為正功。功的單位是焦耳。在一個純粹的熱傳遞過程中，可用系統的內能改變來定義熱量及其數值，即Q=U2-U1，這里定義系統吸熱為正(Q大于0)。熱量的單位也是焦耳。
熱量和功都是過程量，只當系統狀態改變時它們才會出現，它們的數值不僅與過程的初終態有關，還與過程經歷的路徑有關。功和熱量都是內能改變量的量度，說明它們之間應存在某種相當性，歷史上把這種相當性的數值表示稱為熱功當量。
熱力學第一定律是能量守恒定律對非孤立系統的擴展。此時能量可以以功W或熱量Q的形式傳入或傳出系統。
闡述方式：
1. 物體內能的增加等于物體吸收的熱量和對物體所作的功的總和。
2. 系統在絕熱狀態時，功只取決于系統初始狀態和結束狀態的能量，與過程無關。
3. 孤立系統的能量永遠守恒。
4. 系統經過絕熱循環，其所做的功為零，因此第一類永動機是不可能的(即不消耗能量做功的機械)。
5. 兩個系統相互作用時，功具有唯一的數值，可以為正、負或零。
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