能量守恒定律的发现

能量守恒定律的发现

热力学第一定律是在人类积累的经验和大量的生产实践、科学实验基础上建立起来的。首先是德国医生迈尔（Robert Mayer，1814～1878）和英国物理学家焦耳（Janes Prescott Joule，1818～1889）各自通过独立地研究做出了相同的结论。迈尔于1845年出版的《论有机体的运动和新陈代谢》一书，描述了运动形式转化的众多情况。焦耳直接求得热功当量的数值，给能量守恒和转化定律奠定了坚实的实验基础。1847年亥姆霍兹（Hermann Helmholtz，1821～1894）在有心力的假设下，根据力学定律全面论述了机械运动、热运动以及电磁运动的“力”互相转换和守恒的规律。在这段历史时期内，由于蒸汽机的制造、改进和广泛采用，以及对热机效率、机器中摩擦生热问题的研究，对热力学第一定律的建立起到了推波助澜的作用。

1、能的概念的形成

法国物理学家笛卡尔（R．Descartes，1569～1650）最早提出“运动量”守恒（即动量守恒）的思想。他给人们留下最深刻的印象是：一个粒子体系在不受外力作用时，它们的总运动量保持不变；粒子相互碰撞产生的力通过它们的运动量的改变来量度。不久，德国物理学家莱布尼兹（G．W．F．Leibniz，1646～1716）对笛卡尔提出挑战，他引入“活力”（Vis Viva）的概念。他所指的“活力”，是物体的质量与它的速度的平方之积，是一个标量；而笛卡尔的“运动量”是矢量。莱布尼兹认为“活力”才是“力”的真正量度；物质受的力和它所通过的距离之积等于活力的增量。莱布尼兹的“活力”实质相当于物体的动能，其数值等于动能的两倍。后来J．伯努利（J．Bernoulli，1667～1748）将“活力守恒”当作莱布尼兹的“活力”原理的一个推论提出，他认为当活力消失后，它并没有丧失作功的本领，而是变成了另一种形式。显然，J．伯努利扩大了莱布尼兹的“活力”所指的范围，把势能也列入了活力的范畴。

笛卡尔和莱布尼兹的争论持续了半个世纪，最后调合双方的是数学家达朗贝尔（J．L．D’Alembert，1717～1783）。他指出这场争论只不过是术语的问题，实质问题是统一的，因为笛卡尔的“运动量”是力对时间的积分，而莱布尼兹的“活力”是力对空间线度的积分。这里面蕴藏有冲量积分的思想。

1787年，法国数学家拉格朗日（J．L．Lagranage，1736～1813）在《分析力学》一书中证明，在某些粒子系统中，每一个粒子相对于参照系的位置和速度的函数，不管发生什么运动总是保持不变。这个函数是两部分之和，一部分表示运动的动能，另一部分表示势能（当时还没有“动能”和“势能”这两个术语）。这个函数是拉格朗日函数，它对速度的偏微商等于笛卡尔的“运动量”，即现在所称的动量。由此可见，“活力”守恒或机械能守恒原理，就是由拉格朗日等一些数学家和力学家提出来的。

1807年，杨（T．Young，1773～1829）创造了“能”这个词。1826年，蓬瑟勒（J．V．Poncelet，1788—1867）又创造了“功”一词。从此以后，机械能守恒定律就不仅是数学家著作中那种抽象的、广义的函数形式，而是物体的具体运动形式和规律的直观写照了。

伏打电池的发明（1800年）给揭示能量转化与守恒现象开拓了更广阔的前景，热、光、电、磁和化学结合，生物的生命力在能量概念的基础上开始逐步统一起来。卡里斯尔（A．Carlisle）和尼柯尔逊（W．Nicholson）电解水的实验（1800年）表明电能和化学能可以相互转化；奥斯特（H．Oersted）发现的电流磁效应（1820年）表明电能与磁能存在某种可转化的关系；法拉第的电磁旋转现象（1821年）第一次揭示了电磁能转化为机械能的可能性；塞贝克发现的温差电（1822年）证明热能可以转化为电能、法拉第在1831年发

明第一台直流发电机，第一次实现了机械能向电磁能的转化。焦耳测量焦耳热的实验，以精

确的结论总结了化学能、电能和热能之间的关系。1845年法拉第发现的磁致旋光现象，更

深刻地揭示了电、磁、光三者之间的作用关系……所有这些表明，19世纪的能（或力）的

概念已不像17世纪那样仅仅局限于机械能的范畴，也不像18世纪那样局限于机械能和热两

项内容。因此，这就要求物理学家收集各个领域的发现，归纳它们的数据，从中抽象出一个

既能表征各种现象的基本特点，又能表示各种力（或能）相互转化的精确形式。在这方面，

卡诺、迈尔、焦耳、威廉·汤姆孙、克劳修斯，特别是亥姆霍兹做出了主要贡献。

2、迈尔的贡献

1840年，德国医生和生理学家迈尔（Julius Robert von Mayer，1814—1878）作为一次

航行的随船医生，在印度尼西亚的爪哇做了一次静脉切开手术实验。他

发现流出的血十分红艳，以致误认为错动了人体的动脉。但经过反复检

查，证明流出的血仍是静脉血。迈尔由此认为，热带人的静脉血比寒带

人的静脉血要红些。理由是：热带环境温度高，人体消耗热量比寒带人

相对低得多，静脉血管中红血球还携带有大量剩余的氧成分。他把有机

体的这种化学过程和无机的物理现象联系起来，从而产生了第一个热和

机械运动的当量概念。

1842年，迈尔发表了《论无机自然界的力》，第一次提出了力（即

我们所说的能量）不灭和可转化性原理以及热功当量的计算。迈尔从无

机自然界中的各种能量形式中抽象出一个“力”（Krafte），指出“力”

的可转化性。他根据哲学中的因果律，将“力”等效于哲学语言中的“原

因”，将某一“力”的产生效果或它的变化形式称为“效应”，用“原因

等于效应”（causa aequeat effectum）这句话简明地概括能量守恒原因。

图5-4罗伯特·迈尔他说：“力是原因，对于它们可以直接应用这样的基本原理：原因等于

效应。如果原因c产生的效应是e，那么c＝e。如果e接着又是另一效应f的原因，就有e

＝f，如此类推：c＝e＝f＝……。”

迈尔认为，“力”跟物质都是客观存在的物质实体，其区别仅在于一个无重量，另一个

有重量。为了把“力”类比于物质，以便从物质的质量守恒的定律之中平行地推出能量守恒

定律，他就把物质定义为无机界中的第一种“原因”，把“力”定义为第二种“原因”。他说：“在自然界中我们找到了两类原因，我们从经验得知，它们中间不发生转换。一类由那些有

重性和不可入性的性质的原因组成，即我们通常所说的物质。另一类则由那些不具备这些性

质的原因构成——这些是力。根据原因等于效应的哲学原理，我们就可以认为，‘力’是不

可灭的、可转化的和无重的实体”。

迈尔通过这些事实分析，断定热属于他的“力”或“原因”的范畴。最为可喜的是，迈

尔根据空气被压缩后温度升高的事实推论热是物质中的粒子的运动。他倾向于这样的观点：

当物体中的粒子的距离缩短后，物体的热量增加。他还把落体和地球当作一个整体，认为一

个重物从高处落到地面，使它们的距离变成零（按他的话来说，地球的体积缩小），结果就

要产生热量。从下面的一段话我们便能看出，作为医生的迈尔对热运动性质的理解已达到相

当惊人的程度。他说：“我们可以设想在落体力、运动和热之间自然存在着联系。我们知道。

如果一个物体的单独粒子间运动得更接近时，热就会出现，即压缩产生热。那种束缚着最小

的粒子的力和分隔这些粒子的最小的空间，必定在大质量和可测量的空间方面清楚地得到应

用。一个重物的落下实际是地球体积的减少，因此必然与产生的热有某种关系。这种热必定

精确地正比于重量的大小和它距离地面的原来的距离。根据这种考虑，我们很容易导出上述

联系落体力、热和运动的关系。”这里的“落体力”、“运动”可译成现代语言的势能和动能。