能量守恒与转化定律

能量守恒与转化定律是自然科学中关于物质运动的最重要的普遍定律之一．能量守恒与转化定律的发现过程中蕴藏着丰富的物理学思想，高度体现了物理学方法的重要意义．整理它被发现的脉络，可以看出能量守恒与转化定律发现的线索过程与方法如下：

第一阶段，有关能量守恒与转化定律的多方面的经验事实的累积和概括．

在十九世纪以前，人们早已熟知有关机械动能与重力势能相互转化的种种现象，如落体、抛物、杠杆、碰撞、单摆、行星运动等；机械能转化为热能的现象，如摩擦生热；化学能与热能相互转化的现象，如某些化合物合成时放热、分解时吸热；静电、静磁能与机械能相互转化的现象，如摩擦生电、带电体吸引轻物、磁铁吸铁等；18 世纪下半叶，蒸汽机的改进和逐步推广使用，使人们对热能转化为巨大的机械能产生了深刻的印象；18 世纪与 19 世纪之交，人们制作了电堆、实现了化学能向电能的转化，获得了持续电流；又通过电解实现了电能向化学能的转化；19 世纪20 年代，人们发现了温差电偶和电流通过电阻生热的现象，实现了电能与热能的相互转化．与此同时，人们也发现了电流的磁效应，电流与电流的相互作用，揭示出了电和磁的紧密联系，找到了电磁能向机械能转化的途径．30 年代初，感生电流的发现，找到了机械能持续转化为电能的途径．在 18 世纪下半叶拉瓦锡提出了燃烧的氧化理论以后，在 19 世纪上半

叶，德国的生理学家们对动物热的研究形成了热潮．总之，到了 19 世纪

30 年代一幅机械运动、电磁运动、热运动、化学运动、生命运动相互联系、相互转化的图景已逐渐展现在人们的眼前，为能量守恒与转化定律的发现奠定了广泛坚实的基础．

第二阶段，能量概念的形成和发展

在人们已广泛了解各种运动形式、各种能量之间的相互转化的大量经验事实之后，又在力学、化学、热学、电学、生理学等学科经历了一系列的观念的突破，以及能量概念的创造与形成．

人们生活的自然界中虽然时时刻刻都充满着各种运动形式相互转化的现象，但要正确理解这些现象并从大量经验事实中概括出各种能量相互转化与能量守恒的概念和理论，首先必须突破一系列传统观念的束缚，逐步形成和明确能量的概念．

在力学领域中，逐步形成了“功”与“能”的概念．早在 1644，法国的笛卡儿就认为，自然界存在着一个守恒的运动量，即物体的质量乘以速度（m×v），以后物理学家们称之为“动量”．而德国的莱布尼兹则认为守恒的量是“活力”即物体的质量乘以速度的平方（m×v2），并指出，力和路程的乘积等于“活力”的增加．这两大学派就运动的量度问题进行了长达半个多世纪的争论．1807 年英国物理学家托马斯·杨最早提出“能”的概念，并认为动能等于质量乘速度的平方．从此“能”的

概念便正式被引进了物理学．1829年科里奥利提议把 1 mv² 称作活力

（即今天的动能）．1826 年法国工程师蓬瑟勒首次引入了“功”的概念，并把千克力·米作为功的单位．1853 年英国科学家兰金最早用“能量守

恒”这个表述：“人们已经知道能量守恒定律，即宇宙的一切能量（现实的和潜在的）之和是不能改变的”．

在热学领域中，第一宣告了“永动机不可能”．从古到今，世界各国都出现过种种永动机的设计，设计者试图制成某种不用任何外加的动力就能够永远不息地运转做功的机器．到了 17、18 世纪，史特芬、卡诺等人已认为以纯机械的方法制造永动机是不可能的．以后人们进一步相信，用任何其他方法制造永动机也是不可能的．1775 年法国皇家科学院决议不再接受审查有关永动机的任何设计．第二，突破热质说的羁绊．热质说的早期提出者是古希腊的德谟克利特、伊壁鸠鲁、古罗马的卢克莱修等人．在近代，它又受到法国的伽桑狄的支持．尽管 17 世纪的英国的培根、牛顿等把热看成是物质的一种运动，但这种观点缺乏实验根据．不久被人遗忘．18 世纪中叶布拉克把热质说发展成定量的理论，把热量与温度相区分，提出了潜热和比热的观念，对热学发展有所贡献，但他对热的本质理解是错误的．1777 年拉瓦锡提出燃烧氧化说，但却进一步支持了热质说．到了 1798 年伦福德在钻炮膛的实验中发现，热不是物质，也不守恒，它可以无限止地通过摩擦而产生；1799 年戴维做了摩擦真空中的金属使金属上的蜡融化；摩擦周围温度在冰点以下的冰，使之融化的两个实验．伦福德和戴维的实验发现给热质说以严重的冲击，为能量守恒与转化定律的发展开辟了道路．
蒸汽机的发明与使用

人类在发现了把机械运动转化为热（摩擦生火）之后，又经过多少万年的实践和艰苦的探索，才把热转化为机械运动，发明了蒸汽机．我国古代的走马灯，古希腊的蒸汽球都是热转化为机械能的小型装置．1695 年法国人丹尼斯·巴本在德国发明了第一部蒸汽机，在汽缸中产生蒸汽推动活塞上升，活塞到达顶点时，把汽缸冷却降压使活塞下降．他的设计有很大的理论价值．不久英国人萨弗里和纽科默也发明了空气蒸汽机，并于1712 年有效地应用于矿井排水和农田灌溉．1769 年英国的瓦特在此基础上加上一个分离冷凝器，使蒸汽机在原则上达到现代的水平．1784 年瓦特又试制成双冲程蒸汽机，不久便广泛应用于各个工业部门．但在当时，如何提高蒸汽机效率的问题就自然成为科学研究的重要课题．这样，科学家们又深入地开展了对热的本质，热与机械能之间关系的研究．

在电学、化学、生物学领域中相继建立和发展了“能量”概念．
在电学领域，19 世纪初，为了解释电池电源的来源，伏打提出了接

触说，并认为能量可以凭空产生．1829 年罗吉特，1837 年法拉弟等撰文指出不可能凭空创造能量，认为伏打电流的真正来源是化学作用．1842 年格罗夫也重申了不能凭空创造能量的论断．在电磁学领域，1831 年法拉弟确立了电磁感应定律，找到了磁转化为电的规律．他还发明了第一台直流发电机，实现了机械能向电磁能的转化．1833 年楞次提出了确立感生电流方向的楞次定律．楞次定律实际上是能量守恒和转化定律在电磁现象中的特例．1840 年焦耳开始测量焦耳热的实验，以精确的结论总结了化学能、电能和热能之间的关系．1845 年法拉弟又发现了磁致旋光现象，更深刻地揭示了电、磁、光三者之间的作用关系．

1777 年法国的拉瓦锡提出了燃烧的氧化说，否定了 1703 年施塔尔提出的燃素说，这是化学史上的革命性进展．1804 年俄国的格斯提出热化

学定律，指出化学反应中所释放的热量是一个同中间过程无关的恒量．这实质上已揭示了化学变化过程中的能量守恒关系．

在生物学领域中，十九世纪初，以德国的米勒为首的生理学派开始了动物热来源的研究，德国的李比希指出，由血液循环输送的食物元素与氧之间的相互作用是动物热的源泉．

上述的科学实验研究与科学发现的事实，使得科学家们通过他们自己的科学实践，逐渐领悟到各种现象的相互联系和相互转化的思想．这就要求物理学家们概括各个领域的发现，归纳他们的结论，从中抽象出一个既能表征各种现象的基本特点，又能表示各种能相互转化的精密的定律形式．这样长期的科学实验和理论研究为能量守恒与转化定律的最后确立奠定了坚实的基础．

第三阶段，实验研究与测定验证

19 世纪 30 年代、40 年代，物理学已经不满足于关于能量守恒的哲学思辨，而要求精密的实验测定与验证．而且特别关注于热功当量的计算与测定，关注于能量守恒的实验验证．

在热功当量的计算和实验测定中，S·卡诺在 1830 年的笔记中得出了热功当量值为 370 干克力·米/千卡，1842 年迈尔利用空气的定容与定压比热算出了热功当量值为 365 千克力·米/千卡，他又在 1845 年的论文中推导出的结果为 367 千克力·米/千卡；1845 年霍尔茨曼、1843 年柯尔丁、1854 年伊伦通过间接摩擦实验，1858 年又通过铅的压碾实验等都得出了相近的热功当量的数值．

而在这方面，工作做得最多并最精确的是英国科学家焦耳．1838 年焦耳发现了焦耳定律：Q=I2Rt，1843 年焦耳又发表文章表明：新的电动机不可能是永动机．1843 年 8 月焦耳在他的实验中发现：测量使一发电机运转所需的机械功和由发电机所产生的电流所生成的热的比值为 460 千克力·米/千卡．同年他又测定水流过细管时产生的热，得到一个热功当量的值．1844——1845 年，焦耳用压缩空气所需要的功和产生的热量得出的热功当量值为 443.8 千克力·米/千卡，用水的摩擦得到的热功当

量值为 488.3 千克力·米/千卡．1847 年他又测得的结果为 428.9 千克力·米/千卡，1850 年为 423.9 千克力·米/千卡，1878 年为 423.9 千克力·米/千卡，相当于 4.154 焦耳/卡．

1879 年——1880 年，美国物理学家罗兰改进了计温术，考虑到水的比热随温度的变化，做了更为精确的实验测定热功当量的数值，以后，达松伐耳、米库列斯库、格里菲斯等也都曾做过热功当量值的测定工作．1948年，第九届国际重量和计量大会采纳的热功当量值为 4.1868 焦耳/卡．近

来，人们采用的热功当量值为 4.184 焦耳/卡，这一数值已成为近代物理学中的一个重要常数．

在热功当量的计算与测定的同时，人们也进行了关于能量守恒的一些重要实验验证．如焦耳的关于空气的压缩和膨胀的实验，伊伦的关于铅的压碾的实验（1858 年），艾德隆特关于金属线的张力的实验（1865 年），维奥耳关于佛科电流的实验以及佩罗特关于水的蒸发的潜热的实验等．以上这些关于热功当量的计算与测定，关于能量守恒的实验验证为能量守恒与转化定律的最后发现和形成提供了可靠的有力证据．

第四阶段，能量守恒与转化定律的文字表述及数学表述与论证．

在 1842 年前后的十多年时间内，不同国家的十多位科学家差不多同时独立地从几个不同的角度和途径提出了具有划时代意义的能量守恒与转化定律．其中迈尔、焦耳和亥姆霍兹做出最杰出的有代表意义的贡献．