《人類科學技術史-272》能量轉化與守恒定律的確立

能量轉化與守恒定律的確立

能量轉化與守恒定律的發(fā)現(xiàn)是起源于對運動的量度和運動不滅的思想，但是它的確立卻經(jīng)歷了漫長曲折的歷史進程，直到19世紀中葉才作為自然界的一條普遍定律為科學界接受。

早在1644年，哲學家和物理學家笛卡爾(1596──1650，法國）的《哲學原理》一書中就明確提出："物質(zhì)有一定量的運動，這個量是從來不增加也從來不減少的。"他用質(zhì)量和速度的乘積量度物質(zhì)運動的量，因此他表述的實質(zhì)上是力學中的動量守恒的思想。稍后，惠更斯(1629──1695，法國）提出過一條與碰撞有關的定理，認為碰撞物的質(zhì)量和速度平方乘積的總和在碰撞前后保持不變。這啟迪人們重新思考運動量的量度問題。1696年，萊布尼茨(1646──1716，法國）指出：運動有兩種量度，因為動力有兩種，一種叫"死力"，另一種叫"活力"。動量是"死力"的量度，mv2則是"活力"的量度，自然界中真正守恒的是總的"活力"。他的觀點影響了很長的一段歷史時期，直到19世紀，科里奧利(1792──1843年，法國）才建議用mv2，代替mv2，后來叫做動能。1829年，工程師彭塞利(1788-1867年，法國）使用了"功"這一術語，并由科里奧利定義：力和受力點沿力的方向位移之積叫"運動的功"。這樣人們才明確：所作的功等于增加的動能。

促使人們在19世紀確認這一偉大定律還有一個不容忽視的背景。那就是一系列重大的發(fā)現(xiàn)揭示了各種自然現(xiàn)象間的普遍聯(lián)系和相互轉化關系。主要有：1798年，本杰明.湯普遜(1753-1814年，英國）和戴維(1778-1831，英國）用摩擦生熱證明機械運動可以轉化為熱。1821年，塞貝克(1770-1831年，德國）發(fā)現(xiàn)了溫差電現(xiàn)象，證明熱可以轉化為電。1840年，焦耳定律指明電轉化為熱的規(guī)律。1821年，法拉弟(1791-1867年，英國）發(fā)明了"電磁旋轉器"，表明電轉化為機械運動；1820年，奧斯特(1777-1851年，丹麥）發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，后來法拉弟完成了電磁感應定律的研究，從而證明電和磁間的相互轉化；1801年，李特爾(1776-1810年，德國）研究了紫外光的化學作用；1839年，貝克勒爾(1820-1909年，法國）發(fā)現(xiàn)光照可以改變電池的電動勢等等。這一切啟發(fā)歐洲的科學家們以一種"統(tǒng)一"的和"相互聯(lián)系"的觀點去認識自然界的現(xiàn)象。

19世紀40年代，屬于歐洲幾個國家的十多位學者，從不同專業(yè)，用不同的方式，各自獨立地發(fā)現(xiàn)了能量轉化與守恒定律，其中的代表者是邁爾、焦耳和亥姆霍茲。

羅伯特.邁爾(1814-1878年，德國）是一位醫(yī)生。1840年他作為隨船醫(yī)生航行至印度尼西亞，在赤道附近他意外地注意到海員靜脈的血比在歐洲時要鮮紅些。當時已經(jīng)證明血的顏色鮮紅表明血中含氧量高，邁爾想到一定是在熱帶肌體消耗的熱量較少，所以食物燃燒過程減弱，耗氧量少，靜脈血中留下的氧增多，顏色就鮮紅。1841年他在一封信中寫道：化學家們認為的基本規(guī)律是物質(zhì)不可破滅的……我們應該把完全同樣的規(guī)律用在力上。力同物質(zhì)一樣，也是不可破滅的，它們加入不同的組合，當某種舊的形式消失了，又會形成新的形式。"這里說的力是指能量。顯然他從上面的例子已經(jīng)認識到食物所含的化學能可以轉化為熱。后來他又從海浪沖擊使水溫升高的現(xiàn)象認識到機械運動與熱的關系。

1841年，他的第一篇論文《論力的量和質(zhì)的定義》沒有被接受。1842年，他在《論無機界的力》中寫道："力是不滅的、能轉化的、無重量的客體"。這篇論文發(fā)表在李比希主編的《化學與藥學年鑒》上。恩格斯因此認為這是劃時代的一年。

1845年，他自費出版《論有機運動和新陳代謝》一書。他指出，力的轉化與守恒是支配宇宙的普遍規(guī)律。他把力分為五種：運動的力，在彈性碰撞上表現(xiàn)為活力守恒；下落的力，它和運動的力相互轉化，這種"機械效應將保持為一個恒量"；熱，"熱力是指轉化為運動的力"；電力和化學力。他還把這五種力畫在一張表上，說明各種力相互轉化的25種情況，得出了否定熱質(zhì)和其它無重量流質(zhì)假說的結論。邁爾從幾個實例出發(fā)計算了熱功當量，他得到的計算值是J＝3.48焦耳／卡。

邁爾個人的遭遇是不幸的，多次受到嘲諷和打擊。1849年，他跳樓自殺時受傷，不久被送進瘋人院，直到1862年才恢復科學活動。

焦耳(1818-1989年，英國）是曼徹斯特一位啤酒商。從年輕時起就從事電學、磁學和化學的業(yè)余研究，他用畢生精力完成了熱功當量的測定，從而確立了能量轉化與守恒定律的實驗基礎。

從1840年到1841年，焦耳研究了電轉化為熱的現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)了著名的焦耳定律。1843年，他發(fā)表了《論磁電的熱效應和熱和機械值》一文，他設計了一個實驗，使線圈在一個電磁鐵的兩極間轉動，所產(chǎn)生的感生電流又使線圈發(fā)熱，焦耳測量了線圈中產(chǎn)生的熱量；線圈的轉動是由下落的砝碼通過滑輪帶動的，這樣就可以計算出砝碼作的功。由此計算出的熱功當量平均值是"能使一磅水升高華氏一度的熱量，等于(可轉化為）把838磅重物舉高1英尺的機械力。他最后的結論是："由于創(chuàng)世主的意志，自然界的全部動因是不變的。因此，有多少機械力被消耗掉，就有完全等量的熱被得到"。他在1845年研究了空氣的絕熱壓縮和真空中空氣自由膨脹實驗，得到熱功當量的值是436千克米／千卡和438千克米／千卡。1850年，他在《論熱功當量》的論文中總結了全部工作，并在文中給出了現(xiàn)在教科書所介紹的測定熱功當量的方法，這一次的結果是425.77千克米／千卡。焦耳的實驗測定一直延續(xù)到1878年，前后40年中共完成400多次實驗。焦耳的工作一度不受重視，直到1850年他的觀點才被權威學者們接受，他本人在這一年當選為英國皇家學會會員。

赫爾姆霍茨(1821-1894年，德國）是一位生理學家、物理學家及數(shù)學家。他通過生理學的研究獨立地得到了相同的結論。1847年，他寫了《論力的守恒》，論述力的不滅原理，他說："所有活力和張力之和始終是一個常數(shù)。這條最具有普遍形式的定律，可以稱為力的守恒原理。"所謂"張力"即指勢能；所謂"活力"即指動能。他還證明：在有摩擦的條件下，"損失掉的活力將轉變?yōu)槠渌?能量），首先是熱"。當這一著作出版時，柏林科學院中竟然只有數(shù)學家雅可俾支持他的觀點。

在同一歷史時期幾乎同時發(fā)現(xiàn)這一定律的還有法國工程師卡諾、英國律師格羅夫、丹麥物理學家柯爾丁、法國物理學家法拉弟等十多人。這里要特別提到青年工程師卡諾(1796-1832年，法國）的貢獻。卡諾原是"熱質(zhì)說"的擁護者，但通過熱機循環(huán)的研究，使他在1830年意識到"熱質(zhì)說"的錯誤。他在筆記中寫道，"熱不是什么別的東西，而是動力，或者說它是改變了形式的運動"，"因此，人們可以得到一個普遍的命題：在自然界中存在的動力，在量上是不消滅的。準確地說，它既不會創(chuàng)生也不會消滅，實際上，它只改變了自身的形式"。不幸的是卡諾英年早逝，他的遺稿直到1873年才公布，其時能量守恒定律早已得到公認。

在19世紀人們提到能量往往使用力這個詞表述，事實上在1807年英國的托馬斯.楊已創(chuàng)造了"能"這個術語。當科里奧利定義了"功"后，托馬斯.楊于是定義能量是"作了功的力"。1853年，英國的理論物理學家開爾文(1824-1907，英國）對能量下了嚴格的定義，"我們把給定狀態(tài)中的物質(zhì)系統(tǒng)的能量表示為：當它從這個給定狀態(tài)無論以什么方式過渡到任意一個固定的零態(tài)時，在系統(tǒng)外所產(chǎn)生的用機械功單位來量度的各種作用的總和。"自這時起人們使用"能量守恒"這個詞而很少說"力的守恒"。

能量轉化和守恒定律的發(fā)現(xiàn)是19世紀最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，也是自牛頓力學建立以來物理學的最重要的成就。它表明自然界的一切現(xiàn)象都存在密切的聯(lián)系，一方面各種物質(zhì)的各種運動形式，例如機械的、電的、熱的、磁的等等在一定條件下發(fā)生相互轉化。另一方面各種運動可以用同一個概念"能量"去量度，并且物質(zhì)世界的總能量在一定條件下守恒，從而證明了物質(zhì)世界的同一性和物質(zhì)運動的永恒。恩格斯強調(diào)了能量相互轉化的重要性，他說："自然界中所有無數(shù)起作用的原因……現(xiàn)在都已經(jīng)證明是同一種能(即運動）的特殊形式，即存在方式；我們不僅可以證明，它在自然界中經(jīng)常從一種形式轉化為另一種形式，而且甚至可以在實驗室中和工業(yè)中實現(xiàn)這種轉化，使某一形式的一定量的能總是相當于另一形式一定量的能。"因此，"自然界中整個運動的統(tǒng)一，現(xiàn)在已經(jīng)不再是哲學的論斷，而是自然科學的事實了。"