试问能量守恒吗

戚云忠

摘 要：能量守恒和转换定律是物理学中的重要定律，对于不同形式的能量之间相互转化学生能够理解，但通过认识状态方程，他们对能量转化过程中全部守恒仍然有困惑。

关键词：能量守恒；转化定律；等压系统

设一等压系统，系统的外壁与活塞都是用良好的隔热材料制成，高处有高温热源，系统通过开关和高温热源连接，开关是关闭的，系统内装满干空气。以下把这样的空气系统简称总系统，总系统处于热平衡状态，总系统的温度为T1、体积为V1、压强为P、内能为O，称初状态。把总系统用若干条隔板隔成上、下两部分，并使上、下两部分空气保持原来的热平衡状態，隔板之上的空气称分系统A，隔板之下的空气称分系统B。分系统A的温度为T1，内能为O；分系统B的温度亦为T1、内能亦为O，见图1。隔板是用良好的隔热材料制成，必要时可以打开隔板，使总系统上、下两部分空气重新连通。

打开开关，分系统A从高温热源吸收热量Q，关闭开关，分系统A从高温热源吸收的热量Q，一部分用于分系统A的内能增量△UA；一部分用于因为分系统A内有空气物质克服地球引力向上膨胀、分系统A自身增加的位能△P；一部分用于分系统A体积膨胀对外作的功W，则是：

Q=△UA+△P+W（分系统A）

经过一定的时间，分系统A到达热平衡状态，分系统A的温度升到T2，见图2。

打开隔板，使总系统上、下两部分空气连通，总系统的内能形式是△UA，总系统上部分空气温度高，下部分空气温度低，见图3。经过一定的时间，总系统到达新的热平衡状态，总系统也到达终状态。总系统到达新的热平衡状态的过程是总系统内部有空气物质克服地球引力向上扩展、位能增加的过程，把位能的增量用△P1表示，根据动能+内能+位能=常数，总系统位能的增加则是总系统内能的减少，把内能的减量用△U1表示，特别强调：总系统减少的内能△U1仅是因为总系统内部密度的调整增加位能△P1所减少的那部分内能（其他略），总系统的内能形式成了△UA—△U1，见图4。

前面写的热力过程，如果总系统到达终状态，内能△UA保持不变，式Q=△UA+△P+W（总系统）等式成立，则证明能量守恒，总系统到达终状态，内能变成△UA—△U1，就证明能量不守恒了。

位能△P1不是状态参数，考查的不是位能△P1，不是过程，考查的是状态、是总系统的终状态。

总系统在低处向外界输出热量，总系统输出热量之后到达终状态也减少内能。

参考文献：

[1]能吟涛.热力学.高等教育出版社，1986.

[2]贺海晏.动力气象学.气象出版社，2010.

（作者单位 北京焦化厂教育中心）