能量守恒定律
néng liàng shǒu héng dìng lǜ
能量守恒定律指出，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。
Definition
能量守恒定律说的是，能量既不能凭空产生，也不能被消灭；它只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体。对一个系统来说，孤立系统的总能量保持不变：能量可以在物体之间传递，也可以在各种形式（动能、势能、热能、化学能、电能、光能、声能）之间转化，但任何过程发生前后的总量是相等的，而那些看似"消失"了的能量，通常已经变成了热能。严格地说，对一个孤立系统，$dE_{\text{total}}/dt = 0$，其中 $E_{\text{total}}$ 包括机械能、热能、化学能、电磁能和核能等形式；对于一个与周围环境交换能量的系统，$\Delta E_{\text{system}} = Q + W$，这就是热力学第一定律。根据诺特定理，能量守恒源于物理定律在时间平移下的不变性。在相对论中，质量通过 $E = mc^2$ 被纳入其中，因此真正守恒的量是质量能量。
Example
当你搓手时，运动的能量变成了热；运动的能量并没有消失，它只是改变了形式，温暖了你的手。一个 $1\ \text{kg}$ 的球从 $2\ \text{m}$ 高处落下，起初具有 $19.6\ \text{J}$ 的势能，但只弹回 $1.5\ \text{m}$ 高，即 $14.7\ \text{J}$；缺失的 $4.9\ \text{J}$ 在弹跳过程中变成了热和声，什么都没有被消灭。在更大的尺度上，一辆以 $25\ \text{m/s}$ 行驶的 $1{,}200\ \text{kg}$ 汽车刹车至停止，会把它 $\tfrac{1}{2}(1200)(625) = 375{,}000\ \text{J}$ 的动能变成刹车盘中的热能。如果刹车盘总质量为 $8\ \text{kg}$，比热容为 $460\ \text{J/(kg}\cdot^\circ\text{C)}$，那么在开始冷却之前，它们的温度会上升约 $375000 / (8 \times 460) \approx 102^\circ\text{C}$。
Key Insight
如果某些能量看似凭空消失了，就去找找热、声或光；它一定是去了什么地方，因为能量从不会真正消失。这条定律正是永动机不可能存在的原因：一台机器输出的能量不可能比它输入的更多，而摩擦力保证了它输出的会稍微少一些。能量是守恒的，但其可用性并非一成不变。散布到环境中的热能无法再被收集起来做功，这正是热力学第二定律所管辖的领域：能量的总量是固定的，但能量的"品质"会不断下降。