【种花家务·物理】2-2-09能的转变和能量守恒定律『数理化自学丛书6677版』
【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。
【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。
第二章热和功
【山话|| 本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳。另外这套老教材中的力的单位常用公斤，如今是不允许的，力是不能使用公斤为单位的。】
§2-9能的转变和能量守恒定律
【01】当物体克服摩擦力和媒质阻力作功时，其内部状态要发生变化。这时，机械能转变为与物体内部状态有关的能量——内能。
【02】在本章的前几节中，我们已经详细地讨论了内能的概念，并且研究了内能和机械能相互转变的各种情况。读者自然会产生这样的问题：在机械能与内能相互转变的过程中，它们的量值是否有确定的关系？为了说明这个问题，让我们仔细地讨论一下焦耳实验。
【03】在焦耳实验中，下落重物的势能先变为旋转叶片和水的动能；由于水层间的摩擦，动能又转变为水的内能。这里我们遇到了一种形式的能量转变为另一种形式能量的情形。下落重物的势能转变为水的内能，功 W 或相当的热量 Q 就是所转变能量的量度。实验证明，做了4.18焦耳的功总会使1克水的温度升高1°C 。因此，势能转变为内能时能的总值没有改变。
【04】那么，动能转变为内能时，数值上是否也守恒呢？
【05】设质量为 m 的枪弹以速度 v 飞行，它的动能等于mv²/2 。当枪弹击中某一物体而陷在里面时，枪弹的动能转变为枪弹和物体的内能，增加的内能可以用公式 Q＝cm(t₂－t₁)来计算。假使在转变的过程中没有能量的散失，那么应该符合下列关系： 。
【06】实验证实了这一结论：动能转变为内能时，能量的总值保持不变。
【07】由上面的讨论可以得出结论：机械能转变为内能时，能量是守恒的。
【08】那么内能转变为机械能时的情况又是怎样的呢？
【09】在蒸汽机中，蒸汽膨胀推动活塞而做功，这时蒸汽的内能转变为机械能。精确的测量指出，消耗1千卡的内能总能得到427公斤·米的功。这表示，内能转变为机械能时也是守恒的。
【10】大家知道，当电流通过导线时，导线会变热，此时，电能转变为内能。实验证明，消耗一定量的电能总可以得到一定量的内能。这说明电能转变为内能时也是守恒的。
【11】不仅机械能转变为内能、内能转变为机械能、电能转变为内能时能量的总值保持不变，事实上，任何形式的能量转变为其他形式的能量时都是守恒的。
【12】在自然界里所发生的一切过程中，能量既不会消灭，也不会创生，它只能从一种形式转变为另一种形式。
【13】这就是能的转变和能量守恒定律，由于这个定律是普遍适用的，因此被广泛地用来分析和研究各种自然现象，并且成为人们认识自然的重要依据。
【14】这个定律在十八世纪为俄国学者罗蒙诺索夫首先发现。十九世纪又为德国科学家迈尔、亥姆霍兹和英国物理学家焦耳等人相继发展和确定。
【15】正是由于各种形式的能量能够相互转变，才构成了自然现象的丰富性和多种多样性。
【16】让我们从下述例子中来看看这个自然定律的重要作用。
【17】太阳光的能量在照射地面时转变为土壤的内能，使土壤温度升高。土壤又把这些内能传给它表面的空气，热空气上升后形成了风。这样，太阳光的能量又转变为空气的动能，而另一部分太阳光的能量被地面上植物的叶子所吸收，并在植物中引起了复杂的化学反应，反应的结果生成有机化合物，于是太阳光的能量转变为植物的化学能。太阳光照在水面上，使一部分水蒸发、上升，在天空中形成云，再以雨、雪等形式落回地面，然后通过江河流入海洋，这样，太阳光的能量就转变为水的机械能。
【18】这些机械能和化学能又在风力发电站、水力发电站和火力发电站中转变为电能。在工厂、矿山和家庭中，这些电能又转变为所需要的机械能（例如在各种机床中）、内能（例如在电炉中）和光能（例如在电灯中）。
【19】近年来，人们已经掌握了把原子核能转变为所需要的能量的方法，从而获得了巨大的能源。
【20】能的转变和能量守恒定律是自然界中最基本和最重要的定律之一，它是人类对自然现象长期观察和研究的经验总结。这一定律包括定性和定量两个方面，在性质上它确定了能量形式的可变性，在数值上肯定了自然界能量总和的守恒性。一种能量的减少，总是伴随某种能量的增加，一减一增，数值相等。各种不同形式的运动（机械运动、热运动、电磁运动等等）都具有相应的能量，所以能量就自然地成为它们的共同量度。正确地掌握这一定律是学好物理学的关键，也是研究其他问题的基本依据。
