能量守恒和转化定律的发现

迈尔的经历说明，一个新的科学理论要冲破传统理论的束缚，是何等的艰难。然而，真理是压制不住的。就在迈尔苦于自己的理论得不到承认时，英国的焦耳正在进行同样的工作。

焦耳是第一个在广泛的科学实验的基础上发现和证明能量守恒和转化定律的人。

业余物理学家詹姆斯·焦耳，1818 年 12 月 24 日生于英国曼彻斯特市郊，父亲开了一家酿酒厂，勉强维持家庭生活。焦耳和同龄人相比并不幸运，从小没有上过学，在父亲的酒坊里帮工。

在酒坊里，焦耳逐渐地对酿酒过程很感兴趣，便开始自学化学、物理学、数学。焦耳学习非常刻苦，除了参加酿酒劳动外，抓紧一切可以利用的时间努力学习，遇到不懂的问题便想方设法虚心请教。

通过别人的介绍，焦耳结识了当时的化学家道尔顿。这个很有影响的大化学家并没有看不起一个酒坊的帮工，而是耐心地解释他的疑难问题，并热情地鼓励他从事科学研究，敢于攀登科学高峰。

焦耳倍受鼓舞，抓住一切机会向道尔顿请教，更加如饥似渴地学习。由于道尔顿没有那么多的时间去指导焦耳，因此焦耳在科学上是靠自学成功的。

迈尔发现能量守恒和转化定律，主要是用观察和思辩的方法，而焦耳主要用的是实验的方法。

由于焦耳没有脱离酿酒厂的劳动，因此他很早就认识到了准确测量的重要性。

1840 年，焦耳多次测量了电流的热效应。焦耳以伏打电池为电源，多次进行通电导体发热的实验。他把通电金属丝放人水中，测出金属丝的电阻、电流强度、通电时间，并测出水的温度变化，还分别算出电流做了多少功。经过多次测定，焦耳发现，通电导体所产生的热量，跟电流强度的平方

成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。这就是著名的焦耳定律。

在 1842 年，德国物理学家楞次也独立地发现了这一定律，故称焦耳一楞次定律。

焦耳把自己的实验成果写成论文《论伏打电池所产生的热》，提出热是能的一种形式，电能可以转化为热能。

焦耳的学术成果和迈尔的成果一样，没有受到应有的重视，遭到权威们的反对，使他的论文不能立即发表。

为了进一步从实验中证实自己的发现，焦耳又进行了各种实验，探讨各种运动形式之间的能量转化关系。

他的实验可分为四类：

将水放在与外界绝热的容器中，通过重物的下落带动桨状叶轮，叶轮搅动水，水温升高；
以机械功压缩气缸里的气体，气缸浸在水中，水温亦升高；
以机械功转动电机，电机产生的电流通过水中的线圈，水温升高；
以机械功使两块在水面下的铁片互相摩擦，水温也升高。

1843 年，焦耳根据实验总结出《论水电解时产生的热》，提出无论如何安排仪器，无论电解池装人线路的哪一部分，线路所需要的全部热量正好等于电池内的化学变化所提供的热量。

在这一年，焦耳完成了热功当量的测定，第一次算出的热功当量为卫卡等于 460 克米。

1843 年 8 月，焦耳在皇家学会于柯克举行的学术会议上宣读了他的论文

《论磁电的热量效应和热的机械值》。他介绍了自己的实验，公布了热功当量值，明确论述了能量守恒和转化问题。

他的报告的结论是：自然界的力量是不能毁灭的，哪里消耗了机械力，总能得到相当的热。

他的论文是非常精彩的，料想不到的是，并没有得到承认和赞誉，绝大多数人的态度是怀疑，许多权威对焦耳的观点极不信任，甚至是轻蔑的态度。

焦耳并没有因为权威们的轻蔑而泄气，继续从事自己的业余研究。1844 年，焦耳做了压缩空气升温实验，计算出热功当量为 1 卡等于 443.8 克米。他又要求在皇家学会宣读自己的论文，却遭到了拒绝。

焦耳仍然多次反复地做实验，1847 年，焦耳做了迄今为止认为是最好的实验，就是在重物的作用下使转动着的桨和水摩擦而产生热。他还用鲸鱼油代替水进行实验。这时测得的热功当量为 1 卡等于 427.4 克米。现在公认的

热功当量为 1 卡等于 427 克米。

可见，焦耳实验所达到的精确程度是罕见的。

1847 年 6 月，焦耳要求在牛津大学举行的学术会议上宣读自己的论文。但是会议主席认为他的论文水平低，以会议内容多为借口不让他宣读，在焦耳的再三要求下，只被允许说说要点。

焦耳在会上介绍了自己的实验，并阐明自己的观点。大会主席原来不准备讨论它。但已有较高学术地位的物理学家威廉·汤姆生，即凯尔文勋爵发现了焦耳理论和传统理论的尖锐对立，激烈反对大会主席的决定，焦耳的理论才引起人们的注意和争论。

1849 年，由于大名鼎鼎的电学家法拉第的力荐，皇家学会才发表了焦耳的论文《论热的机械当量》。

这样，从 1840 年起，焦耳用机械功生热，电流生热，压缩气体生热等不

同的做功方法，进行了 40 多次实验，并以他各种实验结果的精确一致性，为能量守恒和转化定律建立了无可辩驳的坚实的实验基础和理论基础。

英国律师、业余物理学家格罗夫也与焦耳大体同时发现了能量守恒和转化定律。

格罗夫 1811 年生于英国的斯旺西，是一位律师，工作之余进行物理学和化学方面的研究，曾在伏打电池的基础上发明电压比较高的“格罗夫电池”。他从对电的研究中发现了能量守恒和转化定律。1842 年，他在伦敦作了

《关于自然界的各种力之间的关系》的讲演，指出一切物理力：机械力、热、光、电、磁，甚至还有化学力，在一定条件下都可以互相转化，而不发生任何力的消失。

1846 年，他出版了《物理力的相互关系》。

马克思称赞格罗夫是当时最有哲学思想的科学家，恩格斯称赞格罗夫用物理学的方法充实和发展了笛卡尔的运动守恒定理。

德国物理学家和生物学家赫尔姆霍茨，通过动物热的研究途径，发现了能量守恒定律。他认为“自然力不管怎样组合，也不可能得到无限的能量”， “一种自然力如果由另一种自然力产生时，其力的当量不变。”

但赫尔姆霍茨把自然界的一切运动形式最终都归结为机械运动形式和机械力的守恒，用吸引和排斥对一切自然过程作力学解释，不免具有形而上学倾向。

另外，丹麦工程师柯尔丁等人也同时发现或接近发现能量守恒和转化定律。

19 世纪 40 年代初发现的能量守恒和转化定律，是 19 世纪的三大科学成就之一。它被几个不同国家、不同职业的人大体同时发现不是偶然的。

19 世纪中期，科学研究开始从 18 世纪的“搜集材料”阶段进人了“整理材料”阶段，是近代科学繁荣昌盛、茁壮成长的时期。技术和科学的相互促进，使得两者都得到了迅速的发展，从而产生了科学的大综合。

当然，在能量守恒定律刚提出时，人们的理解是有历史局限性的。

有些人用“力”代替“能”，把各种复杂运动归结为简单的机械运动和“某种力的作用”，从而称为“力的守恒定律”。

有些人只强调各种运动形式的能量按照一定的数量关系进行转化，即在量的不灭性，而没有说明在质上的永恒性上，忽视了一种运动形式向其他运动形式转化的无限能力。

1853 年，汤姆生在焦耳的协助下，对能量守恒和转化定律作了完整的表述：

从量的方面说，宇宙间物质运动的能量的变化，是按照一定的数量关系有规律地进行的，一种运动形式的能量变化了，必然产生另一种运动形式的能量，而且两者在转化前后的总和不变。

从质的方面说，一切物质的运动形式可以相互转化，物质运动既不能被创造，也不能被消灭。

在发现和研究能量守恒和转化定律的过程中，焦耳和其他人相比更为突出，一是他的发现具有热能、电能、机械能等多种形式之间的相互转化的广泛的实验基础，二是他获得了准确的热功当量数值。因此，常常把焦耳当做发现能量守恒和转化定律的代表人物。

为了纪念这位杰出的物理学家，后人将功、能、热量的国际制单位命名为“焦耳”。

l 焦耳等于 1 牛顿的力使物体在力的方向上移动 1 米所作的功。

1889 年 10 月 11 日，焦耳逝世。

19 世纪 50 年代，能量守恒和转化定律逐渐得到科学界的普遍承认。能量守恒和转比定律是自然界最基本的规律，深刻地反映了世界的物质

件和物质运动的统一性。