科学家们坚信变化万千的自然现象背后深藏着统一、简洁的大美，他们相信自然界的机械、热、电、磁、光学、化学和生命运动之间是互相联系的。经过艰辛的探索，物理学家将这种联系称为能量。物质的运动形式多种多样，每一种具体的物质运动形式存在相应的能量形式。如动能、热能、化学能、电能、光能等。能量守恒定律揭示了自然界中各种能量的守恒和统一： 能量既不会凭空产生也不会凭空消失，它只会从一个物体转移到另一个物体，或者从一种形式转化为另一种形式，且在转化或转移的过程中，能量总量保持不变。这一定律将自然现象的万千变化都囊括进来，可谓完美。但它的发现过程十分曲折，是一项十分浩繁的工作。
图3-11 德国物理学家、医生迈尔
迈尔是第一个发现并表述了能量守恒定律的人。
图3-12 热力学奠基人之一克劳修斯
他引入了熵的概念，并首次明确提出了热力学第二定律。
图3-13 英国物理学家焦耳
他是第一个用实验精确地测量和计算出热量与机械功之间的数值关系的人。
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图3-14 德国物理学家赫姆霍兹
他是第一个以数学方式提出能量守恒定律的人。
来自 5 个国家的 10 余位科学家，在 30 多年的实践研究中从不同侧面丰富了能量守恒定律，科学臻美的精神在历史的长河中熠熠生辉。德国物理学家迈耶从理论思考的角度对能量守恒进行了阐述，他深信各种物理现象之间能够实现统一和转化，而且可以找到一个守恒量来测度这种转化，以彰显自然界的秩序与和谐。他将自己的这些发现写成文章，文章中包含了大量富有启发性的思想，为后续研究指明了方向。英国科学家焦耳在迈尔的基础上花了整整 40 年时间进行艰苦卓绝的工作，用实验证明了能量之间转换的数值关系，用抽象的数字将热量与机械功之间的转化关系表达出来，不仅简洁，而且精确。赫姆霍兹又在此基础上，用完整的数学语言表达了能量守恒定律，其研究被认为是该领域最严谨、最全面的论证。现在，科学界已经公认“能量守恒定律是普遍适用于一切自然现象的基本规律之一”。
能量守恒定律用三个符号 ΔU、Q 和 W 来表示自然界一切能量形式，用一个公式“ΔU=Q-W”来说明自然界中各种能量转化之间遵循的规律，这就是热力学第一定律的数学表达公式。
其中：ΔU 为系统的能量变化量，Q 为在此过程中系统从环境所吸收的能量，即系统本身存在的能量，W 为在此过程中系统对环境所做的功，是做功损失的能量。根据能量守恒定律， 早期人们设想的一种“永动机”被彻底否定。
自然界中各种复杂的能量关系就用这样一个极其简洁精美的公式表达出来。无论是植物的光合作用、动物的捕食，还是日常生活中电池充电放电，都可以用这一定律进行解释。这不仅加深了人类对自然的认识，更凸显了理性思维的力量，展现了科学四两拨千斤的力度。对科学家们而言，其精彩程度绝不亚于莎士比亚的《哈姆雷特》。
图3-15 一种设想中的永动机
能量守恒定律像（莎士比亚的）《哈姆雷特》一样，它可以触动绝大部分人的心灵最深处的感情，并诱发出无与伦比的想象。
——钱德拉塞卡（印度裔美国物理学家、天文学家）
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