能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)

1、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)導讀：能量守恒定律的定型，是經(jīng)過一個漫長的過程的。本文簡述了從活力的提出、活力死力的論戰(zhàn)、熱量和溫度概念的區(qū)分、到能量概念的形成，最后簡述了邁爾、焦耳和亥姆霍茲對能量守恒定律的最終表述和確立的過程。19 世紀中葉發(fā)現(xiàn)的能量守恒定律是自然科學中十分重要的定律。它的發(fā)現(xiàn)是人類對自然科學規(guī)律認識逐步積累到一定程度的必然事件。盡管如此，它的發(fā)現(xiàn)仍然是曲折艱苦的和激動人心的。了解能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程，對于理解自然科學發(fā)展中理論的積累和形成是有益的。本文簡要敘述能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程。1. 能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的準備能量守恒定律是聯(lián)系機械能和熱能的定律。不言而喻，在它發(fā)現(xiàn)之前人們必須對機械

2、能和熱能有較深入的研究。我們現(xiàn)在就這兩方面來敘述?；盍εc死力的論戰(zhàn) 1644 年笛卡爾在他所著的哲學原理中討論碰撞問題時引進了動量的概念，用以度量運動。1687年牛頓在他的自然哲學的數(shù)學原理中把動量的改變來度量力。與此不同的是萊布尼茲在1686 年的一篇論文中抨擊笛卡爾，主張用質(zhì)量乘速度的平方來度量運動，萊布尼茲稱之為活力。把牛頓由動量所度量的力也稱為死力。萊布尼茲的主張正好和1669 年惠更斯關(guān)于碰撞問題研究的結(jié)論一致，該結(jié)論說“兩個物體相互碰撞時，它們的質(zhì)量與速度平方乘積之和在碰撞前后保持不變。 ”萊布尼茲從萊布尼茲挑起爭論起，形成了以笛卡爾和萊布尼茲兩大派的論爭。這場論戰(zhàn)延續(xù)了近半個世紀

3、，許多學者都參加了論戰(zhàn)，并且各有實驗佐證。一直到1743 年法國學者達朗貝爾在他的論動力學中說： “對于量度一個力來說，用它給予一個受它作用而通過一定距離的物體的活力，或者用它給予受它作用一定時間的物體的動量同樣都是合理的?！痹谶@里，達朗貝爾揭示了活力是按作用距離力的量度，而動量是按作用時間力的量度。這場爭論終于塵埃落定了?；盍Σ抛鳛橐粋€正式的力學名詞為力學家們普遍接受?；盍﹄m然為力學家接受了，但是它與力的關(guān)系并沒有弄清楚。一直到1807 年英國學者托馬斯·楊引進了能量的概念，1831 年法國學者科里奧利又引進了力做功的概念，并且在活力前加了 1/2 系數(shù)稱為動能，通過積分給出了功與

4、動能的聯(lián)系，即這個式子表示力做功轉(zhuǎn)化為物體的動能。也就是說自然界的機械能是守恒的。溫度計的發(fā)明與潛熱的發(fā)現(xiàn)關(guān)于熱的精確理論應(yīng)當從制造溫度計開始。從17 世紀開始，在意大利有伽利略等人開始制做溫度計。但是由于采用的溫標比較不方便，所以后人使用的很少。比較早的實用溫標是德國物理學家華倫海從1714 年開始使用水銀做溫度計，并且不斷改進，直到1717 年大致確定了現(xiàn)在所稱的華氏溫標。直到華倫海去世后，科學家才正式確定華氏溫標為：以水的沸點為212 度，把 32 度定為水的冰點。所以這樣規(guī)定，是要盡量使通常的溫度避免取負值。攝耳修斯像瑞典天文學家攝耳修斯于1742 年到 1743 年發(fā)明了攝氏溫標，以

5、標準狀態(tài)下水的結(jié)冰溫度為零度水的沸點為100 度。攝氏溫標在1948 年被國際度量衡會議定為國際標準。溫度計的發(fā)明給熱學的精確化準備了必要的條件，人們可以用它來測量各種不同條件下物質(zhì)的溫度變化。最早人們并沒有把溫度和熱量區(qū)分開來，認為溫度就是熱量。18 世紀 50 年代，英國科學家布萊克把32° F 的冰塊與相等重量的 172°F 的水相混合， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 平均溫度不是102°F，而是 32°F，其效果只是冰塊全部融化為水。布萊克由此作出結(jié)論：冰在熔解時，需要吸收大量的熱量，這些熱量使冰變成水，但并不能引起溫度的升高。他還猜想到，冰熔解時吸收的熱量是一定

6、的。為了弄清楚這個問題，他把實驗反過來作，即觀測水在凝固時是否也會放出一定的熱量。他把攝氏零下4°的過冷卻的水不停地振蕩，使一部分過冷卻水凝固為冰，結(jié)果溫度上升了；當過冷卻水完全凝固時，溫度上升到攝氏零度，表明水在凝固時確實放出了熱量。進一步的大量實驗使布萊克發(fā)現(xiàn)，各種物質(zhì)在發(fā)生物態(tài)變化（熔解、凝固、汽化、凝結(jié)）時，都有這種效應(yīng)。他曾經(jīng)用玻璃罩將盛有酒精的器皿罩住，把玻璃罩內(nèi)的空氣抽走，器皿中的酒精就迅速蒸發(fā)，結(jié)果在玻璃罩外壁上凝結(jié)了許多小水珠。這說明液體（酒精）蒸發(fā) 時要吸收大量的熱，因而使玻璃罩冷卻了，外壁上才凝結(jié)了水珠。布萊克用一個很簡單直觀的辦法來測定水汽化時所需要的熱量。他

7、用一個穩(wěn)定的火來燒一千克零攝氏度的水，使水沸騰，然后繼續(xù)燒火，直至水完全蒸發(fā)掉。他測出使沸騰的水完全蒸發(fā)所燒的時間，為使水由 0升溫到沸騰所燒的時間的 4.5 倍，表明所供熱量之比為 100 450。這個實驗當然是很粗糙的，所測的數(shù)值也有很大的誤差；現(xiàn)在的測定表明這個比值為 100 539。布萊克還用類似的方法測出，熔解一定量的冰所需要的熱量，和把相同重量的水加熱140° F 所需要的熱量相等（相當于加熱77.8所需要的熱量） ，這個數(shù)值也偏小了一點，正確的數(shù)值為143° F（相當于 80），但在當時，這種測量結(jié)果也是很難得的。布萊克基于這些實驗事實于1760 年開始認識到

8、熱量與溫度是兩個不同的概念，進而在1761 年他引入了“潛熱”概念。其后，法國科學家拉瓦錫與拉普拉斯合作在1780 年提出了正確測量物質(zhì)熱容量的方法。由于熱的精確度量的成熟，1822 年法國學者傅里葉出版了他多年關(guān)于熱學研究的總結(jié)著作熱的解析理論 。熱力機械的發(fā)明從遠古開始人類就認識到由機械運動可以產(chǎn)生熱。無論東方和西方，古代都有鉆木取火紀錄，這就是把機械運動轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬脑缙趯嵺`。不過幾千年中一直沒有人想到機械能和熱能的定量轉(zhuǎn)換問題。 直到美國人朗福德 1798 年在慕尼黑注意到 ,當用鏜具鉆削制造炮筒的青銅坯料時， 金屬坯料象火一樣發(fā)燙， 必須不斷用水來冷卻。 朗福德注意到，只要鏜鉆不停止 ,

9、金屬就不停地發(fā)熱； 如果把這些熱都傳給原金屬，則足可以把它熔化。朗福德的結(jié)論是，鏜具的機械運動轉(zhuǎn)化為熱 ,因此熱則是一種運動形式， 而不是以前人們認為的是一種物質(zhì)。朗福德還試圖計算一定量的機械能所產(chǎn)生的熱量。這樣朗福德首次給出一個我們現(xiàn)在稱為熱功當量的數(shù)值。不過他的數(shù)值太高。 半個世紀以后， 焦耳提供了正確值。希羅發(fā)明的汽轉(zhuǎn)球提到熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，最早應(yīng)當提到的是亞力山大的希羅發(fā)明的蒸汽機。這項發(fā)明是一個空心球體上面連上兩段彎管，當球內(nèi)的水沸騰時，蒸汽通過管子噴出，這個球就迅速旋轉(zhuǎn)，這是最早的蒸汽機。不過那時只是用于祭神與玩耍而沒有實際應(yīng)用。1712 年，英國人托馬斯·紐可曼發(fā)明了大

10、氣壓蒸汽機。這種機器具有汽缸與活塞 , 在工作時 , 先把蒸汽導入汽缸 , 這時汽缸停止供汽而汽缸內(nèi)進水 , 蒸汽便遇冷凝結(jié)為水使汽缸內(nèi)氣壓迅速降低， 就可以使水吸上來。 之后再把蒸汽導入汽缸，進行下一個循環(huán)。最初的這種蒸汽機大約每分鐘往返十次，而且可以自動工作，使礦井的抽水工作大為便利，所以不僅英國人使用，在德國與法國也在使用。瓦特蒸汽機瓦特在 18 世紀后半葉對蒸汽機進行了改進。其中最重要的改進有兩項，一項是發(fā)明了冷凝器大大提高了蒸汽機的效率，另一項是發(fā)明了離心調(diào)速器使蒸汽機速度可自由控制。在瓦特的改進之后蒸汽機才真正在工業(yè)上被普遍使用。 永動機的不可能據(jù)說永動機的概念發(fā)端于印度，在公元

11、12 世紀傳入歐洲。據(jù)記載歐洲最早、最著名的一個永動機設(shè)計方案是十三世紀時一個叫亨內(nèi)考的法國人提出來的。如圖所示：輪子中央有一個轉(zhuǎn)動軸，輪子邊緣安裝著 12 個可活動的短桿，每個短桿的一端裝有一個鐵球。亨內(nèi)考的永動機隨后，研究和發(fā)明永動機的人不斷涌現(xiàn)。盡管有不少學者研究指出永動機是不可能的，研究永動機的人還是前赴后繼。文藝復(fù)興時期意大利偉大學者達芬奇曾經(jīng)用不少精力研究永動機。可貴的是他最后得到了永動機不可能的結(jié)論。達芬奇設(shè)計的永動機與達芬奇同時代還有一位名叫卡丹的意大利人，他以最早給出求解三次方程的根而出名，也認為永動機是不可能的。關(guān)于永動機的不可能，還應(yīng)當提到荷蘭物理學家司提芬。16世紀之前

12、，在靜力學中，人們只會處理求平行力系的合力和它們的平衡問題，以及把一個力分解為平行力系的問題，還不會處理匯交力系的平衡問題。為了解決這類問題，人們把他歸結(jié)于解決三個匯交力的平衡問題。通過巧妙的論證解決了這個問題。假如你把一根均勻的鏈條 ABC 放置在一個非對稱的直立（無摩檫）的楔形體上，如圖所示。這時鏈條上受兩個接觸面上的反力和自身的重力。恰好是三個匯交力。鏈條會不會向這邊或那邊滑動？如果會，往哪一邊？司提芬想象把楔形體停在空中，在底部由CDA 把鏈條連起來使之閉合，如圖，最后解決了 這個問題。在底部懸掛的鏈條自己是平衡的，把懸掛的部分和上部的鏈條連起來，斯提芬說：“假如你認為楔形體上的鏈條不

13、平衡，我就可以造出永動機?！笔聦嵣先绻湕l會滑動，那么你就必然會推出封閉的鏈條會永遠滑下去；這顯然是荒謬的，回答必然是鏈條不動。并且他由此得到了匯交三力平衡的條件。他覺得這一證明很妙，就把圖 2 放在他的著作數(shù)學備忘錄（ Hypomnemata Mathematica ）的扉頁上，他的同輩又把它刻在他的墓碑上以表達敬仰之意。匯交力系的平衡問題解決，也標志著靜力學的成熟。隨著對永動機不可能的認識，一些國家對永動機給出了限制。如早在 1775 年法國科學院就決定不再刊載有關(guān)永動機的通訊。 1917 年美國專利局決定不再受理永動機專利的申請。據(jù)英國專利局的助理評審員F. Charlesworth 稱

14、：英國的第一個永動機專利是 1635 年，在 1617 年到 1903 年之間英國專利局就收到約 600 項永動機的專利申請。這還不包含利用重力原理之外的永動機專利申請。而美國在 1917 年之后還是有不少一時看不出奧妙的永動機方案被專利局接受。 2. 邁爾的發(fā)現(xiàn)與遭遇在前面這些科學研究的基礎(chǔ)上，機械能的度量和守恒的提出、熱能的度量、機械能和熱能的相互轉(zhuǎn)化、永動機的大量實踐宣布為不可能。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)條件是逐漸成熟了。于是這項發(fā)現(xiàn)最早就由邁爾來開頭。邁爾是德國的物理學家。 大學時學醫(yī)， 但他并不喜歡當醫(yī)生，他當過隨船醫(yī)生，工作比較清閑。在西方大約從公元 4 世紀開始有一種大量放血的治療方法

15、。一次大約要放掉 12 到 13 盎司的血，有的則一直放血放到病人感覺頭暈為止。這種療法的根據(jù)是，在古代的西方有一種所謂“液體病理”的理論，說人體含有多種液體，如血、痰、膽汁等。這些液體的過多或不足都會致病。放血的作用就是排除多余液體一種措施。中世紀西方的有錢人，特別是那些貴族上層人物、紳士們，還要在一年中定期放血，一般要在春秋各放血一次。放血另一種作用是使女人看上去更好看，這和西方當時的審美觀有關(guān)，使她們既顯得白皙，又不會因為害羞而滿臉通紅。所以西方的貴婦人也經(jīng)常放血。邁爾作為一名醫(yī)生，不用說也是經(jīng)常使用放血療法給人治病的。大約是在 1840 年去爪哇的航行中，由于考慮動物體溫問題而對物理學

16、發(fā)生了興趣。在泗水，當他為一些患病的水手放血時，他發(fā)現(xiàn)靜脈的血比較鮮亮，起初他還誤以為是切錯了動脈。于是他思考，血液比較紅是在熱帶身體不像在溫帶那樣需要更多的氧來燃燒以保持體溫。這一現(xiàn)象促使邁爾思考身體內(nèi)食物轉(zhuǎn)化為熱量以及身體能夠做功這個事實。從而得出結(jié)論，熱和功是能夠相互轉(zhuǎn)化的。他又注意到當時許多人進行永動機的實驗都以失敗而告終，從童年時期就給他留下了深刻的影響。這些使他猜想“機械功根本不可能產(chǎn)生于無” 。在 1841 年 9 月 12 日他給友人的信中最早提及了熱功當量。他說：“對于我的能用數(shù)學的可靠性來闡述的理論來說，極為重要的仍然是解決以下這個問題：某一重物（例如 100磅）必須舉到地

17、面上多高的地方，才能使得與這一高度相應(yīng)的運動量和將該重物放下來所獲得的運動量正好等于將一磅0的冰轉(zhuǎn)化為0的水所必要的熱量。 ”1842 年 3 月，邁爾寫了一篇短文關(guān)于無機界的力的看法寄給了藥劑學和化學編年史 的主編、 德國化學家李比希，李比希立即答應(yīng)使用這篇文章。機械的熱功當量在這篇文章中得到第一次說明。文中說：“人們發(fā)現(xiàn)，一重物從大約365米高處下落所做的功，相當于把同重量的水從 0升到 1 所需的熱量。 ”他的文章發(fā)表于 1842 年 5 月。邁爾是最早進行熱功當量實驗的學者，在1842 年，他用一匹馬拉機械裝置去攪拌鍋中的紙漿，比較了馬所做的功與紙漿的溫升，給出了熱功當量的數(shù)值。他的實

18、驗比起后來焦耳的實驗來，顯得粗糙，但是他深深認識到這個問題的重大意義，并且最早表述了能量守恒定律。他在1842 年底給友人的信中說：“我主觀認為，表明我的定律的絕對真理性的是這種相反的證明：即一個在科學上得到普遍公認的定理：永動機的設(shè)計在理論上是絕對不可能的（這就是說，即使人們不考慮力學上的困難，比方說摩擦等等，人們也不可能成功地由思想上設(shè)計出來） 。而我的斷言可以全部被視為從這種不能原則中得出的純結(jié)論。要是有人否認我的這個定理，那么我就能立即建造一部永動機。 ”邁爾的論文沒有引起社會重視，為了補足第一篇論文沒有計算、過于簡要的缺點， 他寫了第二篇論文， 結(jié)果如石沉大海，沒有被采用。他論證了太

19、陽是地球上所有有生命能與非生命能的最終源泉。后來亥姆霍茲與焦耳的論文相繼發(fā)表，人們將能量守恒定理的發(fā)明人歸于亥姆霍茲與焦耳。而他的論文既早又系統(tǒng)，卻不僅得不到承認，而且還招來了一些攻擊文章。再加 1848 年，他禍不單行，兩個孩子夭折、弟弟又因參加革命活動受牽連。 1849 年，邁爾從三樓跳下，從此成為重殘，而后又被診斷為精神分裂，送入精神病院，醫(yī)生們認為他經(jīng)常談?wù)摰哪欠N新發(fā)現(xiàn)，是一種自大狂的精神病癥狀。1858 年亥姆霍茲閱讀了邁爾1852 年的論文，并且承認邁爾早于自己影響很廣的論文?？藙谛匏挂舱J為邁爾是守恒定律的發(fā)現(xiàn)者?？藙谛匏拱堰@一事實告訴了英國聲學家丁鐸爾（ John Tyndall

20、 ， 1820-1893），一直到 1862 年由于丁鐸爾在倫敦皇家學會上系統(tǒng)介紹了他的工作，他的成就才得到社會公認。 1860 年邁爾的早期論文翻譯成英文出版，1870 年之邁爾被選為巴黎科學院的通訊成員，并且獲得了彭賽列獎（Prix Poncelet ）。之后邁爾的命運有很大的改善。3.亥姆霍茲與焦耳的工作亥姆霍茲與他的的論力的守恒亥姆霍茲出生在一個德國的窮教員家里，中學畢業(yè)后在軍隊服役8年，取得公費進入在柏林的王家醫(yī)學科學院。1842 年亥姆霍茲獲得了博士學位。 1845 年他參加了由年輕的學者組織的柏林物理學協(xié)會，之后他經(jīng)常參加協(xié)會活動，除作軍醫(yī)之外他還研究一切他感興趣的問題。1847

21、 年 7 月 23 日他向物理學協(xié)會作了題為論力的守恒的著名報告。報告后，他將文章交給物理學編年史的編輯，不料又和6 年前邁爾的稿件一樣的命運，編輯以沒有實驗事實而拒絕刊登。后來他將這篇論文作為小冊子在另一家有名的出版社出版了。文章的結(jié)論與1843 年焦耳的實驗完全一致，很快就被人們稱為“自然界最高又最重要的原理”。時間僅差數(shù)年，又由于有有名的出版社出版，他與邁爾的命運完全不同。后來英國學者開爾文采用了楊所提出的能量的概念，采用“勢能”代替“彈力” ，以“動能”代替“活力” ，使在力學中延續(xù)了近 200 年的概念上含混不清的情況得到改變。關(guān)于亥姆霍茲值得介紹的是他在德國科學家發(fā)展中所起的組織作

22、用。 1870 年，他的老師馬格努斯，德國最早的物理研究所所長， 逝世了。當時還是副教授的亥姆霍茲繼任為所長。那時，德國的科學研究水平，比起英國與法國要落后得多。不久普法戰(zhàn)爭結(jié)束，德國從法國得到一大筆賠款，德國的經(jīng)濟狀況有所改善，亥姆霍茲得到了 300 萬馬克的經(jīng)費去籌建新的研究所，經(jīng)過 5 年的努力新研究所建成。這個研究所后來吸引了大批優(yōu)秀的年輕學者，而且它的研究課題同工業(yè)的發(fā)展緊密聯(lián)系，后來形成德國科學研究的一個十分好的傳統(tǒng)。在研究所的支持者中有德國的大企業(yè)家、大發(fā)明家西門子他與亥姆霍茲是柏林物理協(xié)會的第一批會員，是老朋友。亥姆霍茲擔任德國物理協(xié)會會長達數(shù)十年之久。被人稱為“德國物理的宰相” 。焦耳的熱功當量實驗焦耳是一位英國富有的釀造商之子，他的經(jīng)濟條