第6课
鬼魂是否存在：能量守恒定律

我们在第一章用五堂课讲了物理学的基础——力学。本章我们再用两堂课来讲一讲热学。

在大学课程中，物理学的学习顺序就是力学、热学、电磁学……基本上，这个顺序既是物理学发展的历史顺序，也是物理学系统的逻辑顺序。在牛顿时代，人们就认识到，物理规律可以约化为质点的力学规律。但是，那个时代的人并没有认识到热学也能约化为力学规律。

这是为什么呢？主要原因是，从那个时代一直到20世纪初，人们还没有科学地建立物质结构的原子概念，从而导致热学研究被热学的几大定律主导。当然，一旦物理学家建立了原子概念，这几大定律也顺理成章地被原子论囊括并解释了。

我们在本堂课中主要讲一讲热力学第一定律，也就是能量守恒定律。站在今天的角度看，能量守恒定律的建立很简单，因为牛顿时代已经有了机械能守恒定律，既然热学可以约化为力学，那么能量守恒不是显而易见的吗？

然而，真相却是，科学家花了很长时间才建立了能量守恒定律。当然，在牛顿力学的概念里，力可以做功，这种功会转化为受力系统的动能。比如，一个物体在地球的重力场中从高处落下，重力做的功就转化为物体的动能。那么，能量守恒是怎么体现的呢？比如，某个物体的势能减少了，但它的动能和势能的总和不变，这是人们最早认识到的能量守恒的例子之一。

随着物理学家和数学家对牛顿力学认识的发展和深化，重力势能被推广开来，到19世纪上半叶，物理学家系统地总结了力学能量守恒定律。在这里，我们要特别提到一个人，他就是爱尔兰人哈密顿。哈密顿几乎是科学全才，在物理领域和数学领域都很有名，甚至直到现在我们还在将一个力学体系的总能量称为哈密顿量。

但是，即使在哈密顿时代，人们也并不知道一个宏观物体的能量能用哈密顿给出的公式计算出来。比如，当水结成冰后，人们会说，相比于原来的水，冰的能量变小了，原因是水在结冰的过程中释放了热。没错，热能也是一种能量。

在很长一段时间内，人们甚至认为，热能或热量是一种叫热素的东西携带的。从表面上来看，热素是一个很自然的东西，不是吗？你看，一块煤炭或者一瓶汽油在燃烧的时候释放出热能，这种热能能够被我们感受到，这不就是热素吗？但是，热能能被感受到，却不能用任何实体来解释，所以，热素就应是无色无味也无质量的东西。18世纪末，法国化学家拉瓦锡用化学实验“证明”了热素说的合理性。因此，热素说流行了很长一段时间。热素说对能量守恒定律的建立起到了很大的作用，因为热素说可以解释在化学反应、物体摩擦中的总能量守恒，也就是说，能量既没有消失也没有凭空产生。

热素看起来有点像鬼魂，无色无臭无质量，还可以带走能量。如果热素真的存在，我们就可以论证鬼魂也存在了。幸好，19世纪中叶，两位科学家的研究彻底消灭了热素说。

这两个人对能量守恒定律的建立起到了关键性的作用，一位是德国医生迈尔，另一位是大名鼎鼎的英国物理学家焦耳。

这两只“耳”到底是怎么发现能量守恒定律的呢？先看迈尔，德国汉堡人，生于1814年，卒于1878年，享年64岁。他开始的职业是医生，不过，他年轻时就对物理和化学感兴趣，自己做了很多实验。1840年，作为随船医生，他跟随一艘船去印度尼西亚的雅加达，在途中，他注意到，被风暴袭击后的海浪的温度比没有遭遇风暴的海浪的温度要高。另外，在行医时，他注意到人的血液是红色的，而红色与氧有关，因此，他就想，保持血液温度的是不是氧燃烧时产生的热量呢？

1841年，迈尔发表了论文《论力的定量和定性分析》，这篇论文被看作是有关能量守恒定律的第一篇论文。在这篇论文中，迈尔论证了热能的力学性质。7年后，也就是1848年，他论证，如果太阳本身没有能源，它的热量将在5000年后耗尽。

作为医生，迈尔认为，人在吃了食物后，食物中的部分能量被人体吸收，这些能量部分转化为人体的热能，部分转化为人活动时需要的能量，在整个过程中能量是守恒的。这个研究说明，机械能、热能和化学能这三种能量是可以互相转化的。

由于迈尔是位医生，他的物理学研究被物理学界忽略了，所以物理学家们将发现能量守恒定律的功劳归于英国物理学家焦耳。

我们知道，能量的1个单位就是1焦耳，这个命名当然与焦耳发现能量守恒定律的贡献有关。1焦耳是多少呢？将100克的物体提高1米，需要的能量大约就是1焦耳，这是机械能。热能通常使用的单位是卡和大卡，1大卡是1000卡，这个单位我们很熟悉，因为在我们买食物时，很在意食物所含的热量。那么，1大卡是多少焦耳呢？1大卡大约是4000焦耳。

我在前文中说过，水结成冰会释放出热能，同样，冰融化成水会吸收热能，这就是水的潜热。这个潜热有多少？1千克的水，如果温度是0℃，在结成0℃的冰的时候，会释放出80大卡的热量。

为了我们的身体健康，也为了给大家一个关于热量单位的直观印象，我可以告诉大家，一个成年人每天需要大约1000大卡的热量。

我们回到发现能量守恒定律的故事。焦耳比迈尔晚一年发现能量守恒定律。焦耳，生于1818年，卒于1889年。也就是说，他比迈尔年轻了4岁，活了71年。用今天的话来说，焦耳是个富二代，他父亲帮他建造了一个实验室，所以他在年少时就做了很多实验。也是在1840年，他开始了关于能量守恒的研究。他是怎么开始的呢？这也与他父亲有关。焦耳的父亲是位酿酒商，所以焦耳就有机会观察酿酒用的蒸汽机产生的能量和电机产生的能量之间的关系。他发现，电能应该转化成了热能，他通过多次测量通电的导体，得出一个定律：电导体所产生的热量与电流强度的平方、导体的电阻和电流通过的时间成正比。他将这个定律写成了一篇论文，即《论伏打电所生的热》。1843年后，他建立了机械能、热能、化学能和电能的等价关系，并发现了能量守恒定律。

在很大程度上，第一次工业革命与蒸汽机的发明及普及有关，而产生含有大量热能的蒸汽又需要燃烧煤炭和木材，所以我们也可以说，第一次工业革命与化学能和热能转化为机械能有关。

到第二次工业革命时，人类开始使用发电机及电能，所以第二次工业革命与电能转化为热能和机械能有关。

到第三次工业革命时，人类除了发明了计算机，还开始使用原子能，或者说开始使用核能。因此，第三次工业革命与核能转化为其他形式的能量有关。

核能是迈尔和焦耳时代还不知道的能量。核能的发现和使用与人类在19世纪末和20世纪上半叶发现的亚原子物理结构有关。

但是，不管能量如何变化，都离不开能量的基本形式，也就是能量的基本来源——力学能。这是什么意思呢？要说清楚这个问题，我们仅仅知道牛顿还不行，牛顿理论可以将化学能和热能约化为力学能。但要将所有能量约化为力学能量，我们还需要了解电磁理论，以及爱因斯坦的相对论。

有人会说，老师这是在卖关子啊，我们的学习还处于热学阶段，还没有到电磁学阶段，更没有到相对论阶段。这不要紧，要理解所有能量都是力学能量，我们只要知道一些简单的道理就行了。

哪些简单的道理呢？所谓电磁能，无非是电荷和电流产生及携带的能量。我们要提前知道的一点是，这些能量都可以被解释成电磁场的能量，而电磁场本身又可以用光子来解释。光子与其他基本粒子没有什么不同，也是粒子，因此也会携带能量，而这种能量基本上就是动能。

那么，如何理解核能呢？爱因斯坦说过，凡是质量，都等价于能量。也就是说，一个物体所含的能量等于其质量乘以光速的平方。这就是著名的爱因斯坦质能关系。

因此，一个质量很小的物体，也蕴含着巨大的能量，因为与我们日常见到的普通物体的速度相比，光速实在太快。下面我们先简单讲一讲质能关系的一些内涵。

我们可以说，一个原子的质量稍微小于它的原子核和核外电子质量之和。为什么呢？因为电子围绕原子核运动时，还有动能和电磁势能，但是动能加上电磁势能的值是负的，因此，根据能量守恒定律，这个能量对原子质量的贡献是负的。

我们知道，原子核是由核子构成的，核子又可分为质子和中子。同样，一个原子核的质量要小于它所包含的核子的质量，因为要使核子结合在一起，其动能加势能必须是负的——不然它们会分离开来，这样的结果也不会违背能量守恒定律。

我们还知道，4个氢原子核的质量加起来比1个氦原子核的质量要大一些，所以，在核聚变中，氢原子核合成氦原子核时，一定会多出一些能量，这些能量就是核聚变释放出来的能量。另外，在核能工厂里，利用的往往不是核聚变，而是核裂变。也就是说，大原子核分裂为小原子核，原来的大原子核的质量比裂变之后的小原子核的质量之和大，这样就会有能量释放出来。不过需要说明的是，不论是核聚变还是核裂变，多余的能量除了由光子携带之外，还有一部分是由中微子携带的，但我们只能利用光子携带的能量。你看，利用能量守恒定律和爱因斯坦质能关系，我们就轻松理解了核裂变和核聚变，虽然真正的核反应其实还是蛮复杂的。

课堂总结

在本堂课中，我们学到的内容是能量守恒定律，能量既不会消失也不会凭空产生，热学要研究的一个重要部分就是热量的转移。

在下一堂课中，我们要学习的是热学中的另一个重要定律，即热力学第二定律。这个定律同样很重要，因为它能告诉我们，除了能量守恒定律禁止发生的现象，还有哪些禁止发生的现象。