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能量守恒

1847
  • Émilie du Châtelet
  • Julius Robert von Mayer
  • James Prescott Joule
  • Hermann von Helmholtz
19 世纪物理学家研究能量守恒原理的实验室。

（图片仅供参考）

基本原理指出，孤立系统的总能量随时间保持不变。能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式，例如从势能转化为动能。在经典物理学中， 力学对于只有保守力的系统，总机械能[latex]E = T + V[/latex]守恒。

能量守恒定律是所有科学中最基本、最普遍适用的原理之一。它的发展跨越了几个世纪，从早期关于运动的观念演变为19世纪统一力学、热学和化学的精确数学表述。

在经典力学中，该原理在仅受保守力作用的系统中体现得最为明显，例如重力或理想弹簧的弹力。如果一个力对两点间运动的物体所做的功与物体的运动路径无关，则该力为保守力。对于这类力，可以定义势能函数 V。动能定理指出，作用于物体的净功等于其动能的变化，即 Wnet = ΔT。对于保守力，该功可以表示为势能的负变化，即 Wcons = -ΔV。结合以上两点，可得 ΔT = -ΔV，或 ΔT + ΔV = Δ(T+V) = 0。这表明总机械能 [latex]E = T + V[/latex] 是一个运动常数。

当存在摩擦等非保守力时，机械能不守恒；它通常以热量的形式耗散。然而，孤立系统的总能量，包括热能，仍然守恒。这个更广泛的原理就是热力学第一定律。

20世纪，埃米·诺特定理加深了人们对这一定律的理解。它表明，能量守恒是宇宙基本对称性的直接数学结果：物理定律不会随时间改变（时间平移不变性）。

UNESCO Nomenclature: 2211
- 物理学

类型

物理法

中断

革命

用法

广泛使用

前体

  • Vis viva 概念（戈特弗里德·莱布尼茨）
  • 热与功的研究（萨迪·卡诺、埃米尔·克拉佩龙）
  • 牛顿力学
  • 伽利略的摆锤实验

应用程序

  • 发电（水电站、火力发电厂）
  • 热力学和发动机设计
  • 化学反应分析（焓）
  • 过山车设计
  • 了解生物学中的代谢过程

专利：

NA

潜在创新理念

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与以下概念相关：能量守恒、动能、势能、动能定理、热力学、孤立系统、诺特定理、保守力。

历史背景

电化学实验室装置中带有铜和锌电极的丹尼尔电池。

丹尼尔细胞操作

丹尼尔电池是对伏打电堆的改进，它由浸在硫酸铜(II)溶液中的铜电极和浸在硫酸锌溶液中的锌电极组成，中间由多孔屏障隔开。这种双流体设计可防止氢气在铜电极上积聚（极化），从而产生更稳定、更可靠的电压源，并能持续更长时间。
太阳能电池板装置，展示固态物理学中的光伏效应。.

光伏效应

光伏效应是指材料在光照下产生电压和电流。它是一种物理和化学现象。太阳能电池就是一个常见的应用，它利用光伏效应将阳光直接转化为电能。光伏效应的原理是光子激发电子进入更高的能量状态。
19 世纪的实验室，配备热力学仪器和迈尔关系式。.

迈尔关系（热力学）

梅耶关系将完全气体的比热与气体比常数（[latex]R_s[/latex]）联系起来。关系式为 [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]。对于摩尔比热（[latex]C_p[/latex] 和 [latex]C_v[/latex]），关系式为 [latex]C_p - C_v = R[/latex]，其中 [latex]R[/latex] 为通用气体常数。这表明 [latex]c_p[/latex] 始终大于 [latex]c_v[/latex]。.

能量守恒

热力学中测量不同温度下流体粘度的实验室装置。

粘度的温度依赖性

对于牛顿流体，粘度是温度和压力的函数，而非剪切速率的函数。在液体中，粘度会随着温度升高而显著降低，因为更高的热能使分子更容易克服分子间的内聚力。相反，在气体中，粘度会随着温度升高而增加，因为分子碰撞频率越高，速度越高，动量传递也越大。
利用热机装置演示热力学第一定律的实验室实验。.

热力学第一定律

第一定律是关于能量守恒的声明。它假定一个封闭系统的内能变化（[latex]\Delta U[/latex]）等于提供给系统的热量（[latex]Q[/latex]）减去系统对周围环境所做的功（[latex]W[/latex]）。支配方程为 [latex]\Delta U = Q - W[/latex]。这一定律将热、功和内能联系起来，将热确定为一种能量传递形式。.
化学家在复古的实验室环境中进行催化剂实验，1850 年。.

化学平衡催化剂

催化剂通过提供活化能较低的替代反应途径，平等地提高正向和逆向反应的速率。虽然催化剂可以使体系更快地达到平衡，但它不会改变平衡本身的位置。反应物和产物的平衡浓度以及平衡常数K的值保持不变。
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化学家在历史悠久的实验室环境中进行催化实验。.

催化

催化作用是通过添加一种称为催化剂的物质来提高化学反应速率的过程。催化剂在反应中不被消耗，保持不变。催化剂的作用是提供活化能（[latex]E_a[/latex]）较低的替代反应途径，从而在不改变整体热力学（[latex]\Delta H[/latex]）的情况下加速正向和逆向反应。.
威廉·格罗夫早期燃料电池装置，展示物理化学中的电化学原理。.

燃料电池

燃料电池是一种电化学装置，它能直接将燃料（通常是氢气）和氧化剂（通常是氧气）的化学能转化为电能。与电池不同，燃料电池需要持续的外部燃料和氧化剂供应才能工作。其核心部件包括阳极、阴极和电解质，电解质将阳极和阴极分隔开来，促进离子传输。
在老式实验室用电器演示焦耳加热。.

焦耳热和电力

焦耳加热或欧姆加热是电流通过导体产生热量的现象。焦耳第一定律给出了发热速率或耗散功率（[latex]P[/latex]），即 [latex]P = VI[/latex]。结合欧姆定律，功率可表示为 [latex]P = I^2 R[/latex] 或 [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex]。.
热力学中测量完全气体内能和焓的实验室仪器。.

理想气体的内能和焓

对于完全气体，内能（[latex]U[/latex]）和焓（[latex]H[/latex]）仅是温度的函数。它们的变化由 [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] 和 [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex] 给出，其中 [latex]c_v[/latex] 和 [latex]c_p[/latex] 分别是恒容和恒压下的比热，并假定为常数。.
研究人员在实验室测试合成聚合物的粘弹性能。

粘弹性

粘弹性是指材料在变形时同时表现出粘性和弹性的特性。粘性材料（例如蜂蜜）在施加应力时，能够抵抗剪切流，并且应变随时间呈线性变化。弹性材料（例如橡皮筋）在拉伸时会变形，一旦应力消除就会迅速恢复到原始状态。粘弹性材料兼具这两种特性。
科学家在老式实验室测量升华，热力学研究。

升华焓

升华焓（[latex]/Delta H_{/text{sub}}[/latex]）是在给定温度和压力下将一摩尔物质从固体转化为气体所需的热量。根据赫斯定律，由于焓是一种状态函数，因此这种能量变化是熔化焓（[latex]/Delta H_{/text{fus}}[/latex]）和汽化焓（[latex]/Delta H_{/text{vap}}[/latex]）之和。.
工程师在实验室设计高效热机，展示热力学应用。.

热力学第二定律

第二定律引入了熵的概念，并定义了自发过程的方向。它有多种表述方式，但一个关键结论是，孤立系统的总熵永远不会随时间减少。这条定律解释了“时间之箭”以及为什么过程不可逆，例如热量自发地从热物体流向冷物体。
说明完全气体模型热力学实验的实验室场景。.

完美的气体模型

完全气体是一种气体理论模型，其中忽略了分子间作用力，并假定比热容（[latex]C_P[/latex] 和 [latex]C_V[/latex]）随温度变化而恒定不变。这大大简化了热力学计算。它是理想气体的一种特殊情况，在理想气体中，比热会随温度变化，因此它是一种约束性更强的模型。.

（如果日期未知或不相关，例如“流体力学”，则提供其显著出现的近似估计）

相关发明、创新和技术原理

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