能量守恒定律的发现

第二节　能量守恒定律的发现

1832年的那次霍乱致使卡诺英年早逝，也使他与能量守恒定律擦肩而过。十几年后，能量守恒定律终于在迈尔、焦耳等人的努力下被发现。

在热力学的框架内，热力学第一定律和能量守恒定律是等价的。其实，热力学第一定律是能量守恒定律在热力学上的具体表现。

能量守恒定律的内容是自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转换和传递的过程中，各种形式能量的总量保持不变。

第一个以论文形式阐述能量守恒和转化思想的是德国青年医生迈尔。

1840年1月至1841年1月，迈尔作为船医远航到东印度，发现在热带地区海员的静脉血液比在欧洲时要更红一些。根据拉瓦锡的燃烧理论，迈尔认为，在热带，人的机体只需要吸收较少的热，从而机体中食物氧化过程减弱，静脉血液中留下了较多的氧，因此颜色较红。

他由此得出：人体是一个热机关，体力和体热都来源于食物中所含的化学能，热的一部分变为体温，其他部分转化为筋肉的机械功能。也就是说化学能可以转化为热能。另外，他又听海员们说，暴风雨来临时，海水温度会升高，这使他想到是狂风吹打海水的机械能转化成了热能。

1841年他回国后，写了一篇论文，题目是《论热的量和质的测定》，文中提出了热是运动的观点，说明热是由运动转化来的。但这一文章没有得到承认，德国权威刊物《物理学和化学年鉴》拒绝发表他的文章，也未退稿（该稿36年后才被从编辑部取出发表）。

在学术上第一次遭打击后，迈尔决心进一步学习物理学和数学，并用实验来证实自己的观点。1842年，他用一块与水温相同的金属，从高处落入水槽中，他发现水的温度升高了。长时间用力摇动水槽，水温也升高。不过这些实验都还是定性的。后来又进行了定量的测定，经过一些定量计算他初步算出了热功当量的值结果是1卡＝0．365千克·米，相当于3．58焦耳，接近于真实的热功当量值（1卡＝4．1868焦耳）。

他把他的研究成果写成论文《论无机界的力》，发表在德国《化学与药物学》杂志上。文章发表后，又招来了学术上的第二次打击，权威们都攻击和嘲笑他的荒唐，一致反对他的观点。这使他精神上受到很大的刺激，加上他的两个孩子在1846年和1848年相继夭亡，这一系列的打击使他在1850年5月的一个夜晚跳楼自杀，幸未致死，但患了精神错乱症，长期在格平根的精神病院中疗养，与世隔绝。以致李比希在1858年的一次演讲中宣称迈尔已经因病早亡。渡根多夫的《手册》也正式记载迈尔的“去世”，而以后的更正却不为人们所注意。

七八年后，迈尔逐渐恢复了健康。他的科学成就逐渐为社会所承认。

1858年，瑞士巴塞尔自然科学院接受他为荣誉院士。

他在1860年左右开始出席科学会议。由于英国物理学家廷德耳的力争，迈尔的科学成就在英国也得到了承认。

1871年，他晚于焦耳一年获得了英国皇家学会的科普利奖章。以后他还获得蒂宾根大学的荣誉哲学博士，巴伐利亚和意大利都灵科学院院士的称号。

1878年3月20日因病在海尔布隆逝世。

另一位对能量守恒的发现做出重大贡献的是英国物理学家焦耳，他几乎是与迈尔同时，开展了对能量守恒和转化问题的研究，也取得了重大突破。

焦耳是科学史上著名的实验物理学家。与迈尔的工作不同，他不是从纯理论上的推演，而是通过大量的实验来证明。他用20多年的时间进行了大量的实验，1840年发表了《论伏打电池所产生的热》一文，文中提出，当电流沿金属导线流动时，所产生的热同导体的电阻和电流强度的平方成正比，这就是著名的焦耳定律。1842年，楞次也独立发现了这一定律，故名焦耳－楞次定律。

焦耳在1843年还完成了热功当量的测定。第一次算出的值为1卡＝4．6焦耳。后于1845年到1850年间，用5年的时间做了科学史上有名的搅拌实验，精确地测定了机械能转化为热的当量为1卡＝4．157焦耳，很接近于41868的真实值。

焦耳对能量守恒定律的研究，命运也不比迈尔好多少。当时许多权威都抱不信任甚至是轻蔑的态度。后来还是得到法拉第的支持，焦耳的观点才逐渐在英国皇家学会得到承认。

在能量守恒定律的发现中，做出过重要贡献的还有格罗夫，他是在伏打电池的基础上发明电压比较高的“格罗夫电池”的人。他是一名英国律师。他在搜集整理当时物理学方面已取得的各种成果基础上也得出了能量守恒的结论。他在伦敦的一次演讲中指出了一切所谓物理力（即能量），包括机械、热、光、电、磁、甚至化学力，在一定条件下都可以相互转化，而不发生任何力的损耗。这个演讲稿于1846年以《物理力之间的相互关系》为题在伦敦出版。它是从一般意义上论述能量守恒定律的最早的著作之一。马克思在读了这本书之后认为，他不仅在英国，而且在德国自然科学家中无疑是最有哲学思想的。

第一次使用能量“转化”这个概念的是恩格斯。“能量守恒和转化定律”这个名称确实能更好反映该定律的本质。不过有时为了简便，人们也称之为“能量守恒定律”。

能量守恒定律的发现，具有重大的意义。它生动地证明了自然界各种物质运动形式不仅具有多样性，而且具有统一性。打破了过去人们把热、光、电、磁、化学等运动形式都看做是彼此孤立的形而上学观念，为事物普遍联系的观点提供了强有力的科学依据。