能量守恆簡介（Introduction in Conservation of Energy）

能量守恆簡介（Introduction in Conservation of Energy）
國立台灣師範大學附屬高級中學物理科陳智勝老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

能量守恆定律是物理學上的經驗定律。它所表明的意義：在一個孤立系統（isolated system）之中，隨著時間的推移，能量的總額保持不變。這個定律是指能量只能從一種形式轉變成另一種形式，能量不能被創造或是消滅。在封閉系統中，我們對於能量所能做的，僅僅是改變它的型態，例如將化學能轉變成動能。

愛因斯坦（Albert Einstein）提出質量和能量是可以互相轉換的，質能之間的轉換公式即為相當著名的 $$E=mc^2$$。具有質量的粒子（例如：電子），其可以轉換成其它形式的能量，如：光、位能、動能或是熱能，但整個系統的總質能仍然是守恆的。對於某一個觀察者而言，一孤立系統在不同時間下，所得到的靜止質量與純能量總和應是一常數。如果有一些能量以某種形式脫離了系統，例如：結合能（binding energy），此時系統的總質量相對應的能量會有所虧損。

以能量守恆的觀點來看，永動機（perpetual motion machine）似乎並非不可能。只是機器在運作中，總是會將一部份的能量散失於環境中（例如：熱量），因此若機器不從環境中捕捉能量進來，那麼這個不斷運作的機器，其本身能量會漸漸虧損，乃至於在一段時間後消失不見，這顯然是不可能發生的事情。

現今看似理所當然的能量守恆定律，其實是經過長期發展而得到的。早期的哲學家從機械中領悟到，機械在運作中其 $$\sum m_i{v_i}^2$$ 似乎保持定值。後來工程學家與物理學家更進一步發現，合力對系統作功會等於系統的動能變化（即功能定理），能量守恆的雛形已經漸漸形成。只不過當時的能量守恆只侷限在力學能（動能與位能）的部分。對於空氣阻力、摩擦力對於力學能的損耗，當時仍然有人將其視為能量的消耗。

到了十九世紀，許多科學家開始發現，熱量其實是能量的一種形式，而非物質。空氣阻力、摩擦力對於力學能的損耗，是將力學能轉換成熱量。其中最著名的實驗即是焦耳（James Prescott Joule）在 1843 年測量熱功當量的實驗，證明力學能作功可以轉換成熱量，其中熱量 $$1$$ 卡 = $$4.18$$ 焦耳。

熱力學第一定律即是能量守恆的一個表示式。其方程式為：$$\Delta Q=\Delta U+W$$。
其中 $$\Delta Q$$ 為系統(氣體)的熱量變化。$$\Delta U$$ 為系統的內能（氣體分子動能） 變化。$$W$$ 為系統（氣體）對外界所做的功。

參考資料：
1.維基百科–能量守恆定律  http://en.wikipedia.org/wiki/Conservation_of_energy