能量守恒定律在《通识物理》中的应用

能量守恒定律提出后的第一个重要应用就是否定了“第一类永动机”。永动机的概念最早发端于印度，在公元12世纪经由中东地区传入欧洲。第一类永动机是一类所谓“不需要外界输入能量就可以持续、永远对外做功的理想机械”。根据记载，欧洲最早、最著名的第一类永动机设计方案是13世纪时由法国人亨内考提出来的。随后，研究和发明永动机的人不断涌现，文艺复兴时期的意大利艺术家达·芬奇也花费了不少精力来研制永动机，但他最后得到了“永动机不可制造”的结论。与达·芬奇同时代的科学家卡丹（以最早给出求解三次方程的根而出名），也认为永动机是不可能的。其实，永动机的设计理念存在天生的缺陷，如图2.10 所示，就好比俗话所说的“既要马儿跑，又不给马儿吃草”，吃不饱连生存都有问题，更何况干活呢？所以，制造永动机根本就是不可能完成的任务。当然，哲学角度的道理很多人都懂，但永动机还是存在很多有“科学幻想”的支持者。这种情况一直持续到19世纪，随着能量守恒定律揭示出“热、功、能”之间的转化关系，人们才逐渐意识到：“功”其实是由“能和热”转化而来的，所以如果没有外部“能量或者热量”的输入，持续做功根本就是不可能的。后来，随着对永动机不可能性的认识，各国的科学院都先后通过决议，宣布不再接受永动机的专利申请，永动机的开发研制也总算是烟消云散了。

图2.10　第一类永动机谬论(www.xing528.com)

除了打破一些错误的思想，能量守恒定律也广泛地存在于我们的日常生活中。根据能量守恒定律，能量虽然有各种各样的存在形式，但能量并不会凭空消失，而人类对能量的使用则主要体现在能量的形式转化方面。比如，在篮球比赛中，抛出的篮球具有动能，但这动能其实源自运动员身体的化学能，篮球的动能在升高过程中又会转化为重力势能，而下落命中篮筐时，又会从重力势能转化为动能。自然界的能量转化更是一个大范围的封闭循环，比如：植物可以通过光合作用吸收太阳的光能并转化为化学能，为人类提供食物和燃料；篝火将木柴或者煤矿中存储的化学能转化为内能，在寒冷的夜晚温暖我们的身体；燃料的内能又可以推动发动机的活塞运动，转化为汽车运动的机械能；江河中奔腾的水流又可以将运动的机械能通过发电机和“电磁感应”原理转化为电能；而白炽灯的灯丝则将电能转化为内能，达到一定温度后内能又会转变为光能，点亮我们的世界和生活；同时，发电轮机和光伏器件还能将机械能或者光能重新转化为电能，供人类使用，并永远周而复始。

根据上面有关能量循环的例子，我们可以得出一个结论：使用能量的实质就是能量形式的转化，而且似乎所有的能量形式都是有用的。但是，这个结论又会引发一个我们暂时还很难回答的问题：既然能量不会消失，且总量不变，尤其是任何能量形式都是有用的，那为什么会有“消耗能源”的说法，而人类为什么要节约能源呢？比如，烧煤后产生的内能也是能量，也是有用的呀？现在的火力发电厂就是应用内能来推动轮机发电的。那么，这个问题究竟该如何理解呢？请读者接下去思考，我们将在《热学》一章中为大家揭开这个谜团。