思辨、测定与阐发

能量的守恒与转化----物理热学之二

 1842年，恩格斯曾经把它称为自然科学发展史上“划时代的一年”。因为在这一年，有三个不同种工作的人几乎同时证明了机械能、热能、光能、磁能和化学能等在一定条件下可以相互转化，然而却不发生任何消耗，并且确定了热的机械当量。正是这些工作标志着能量守恒和转化定律正式问世。
      1840年，德国医生迈尔（1814—1878）作为随船医生去爪哇，他发现那里的病人的静脉血比他预计的要红得多，因此他开始思考动物热问题。迈尔受拉瓦锡的氧化燃烧理论的启示，认为这是由于血液含氧较多的缘故。因为在热带高温条件下，人的机体只需要从食物中吸收较少的热量就足够了，所以人体中食物的氧化过程减弱了，静脉血里留下的氧就比较多。由此，迈尔联想到人体内的食物所含的化学能就像机械能一样，可以转化为热能。在这些思考中他萌发了“能量的所有形式可以互相转换”的想法。

  1842年，迈尔写了《关于无机界力（能量）的说明》一文，他进一步发展了伦福德的思想，用抽象的推理方法提出了能量守恒与转化的原理。他说：“力（能量）是原因，因此，我们可以在有关力（能量）的方面，充分应用因等于果的原则。……我们可以说，因是数量上不可摧毁和质量上可以变换的存在物。……所以，力（能量）是不可摧毁的、可变换的、不可称量的存在物。”
他依据这一推理设计了一个简单的实验，在一家纸厂设计了一个实验，大锅里的纸浆用机械搅拌，靠绕着圈子的马作为动力。他测出纸浆温度的升高，就可得到马做了一定量的机械功所产生的热量的数据。并且粗略地求出了热功相互转化的当量关系，计算出一卡热相当于365克/米，即3.58焦耳（现在精确有数值是4.184焦耳）。

 迈尔的思辨风格和逻辑推理得出的结论，当时的科学界不愿接受，第一次投稿被一家科学杂志社退了回来，后来虽然在另一家杂志上刊登了，也没有引起人们的注意。此后迈尔又写了几篇文章，继续阐述他的能量守恒和转化原理，他的计算和证明越来越严格，涉及的范围远越来越宽，包括了化学、天文学和生命科学。可是他观点依然得不到人们的理解。迈尔一次在海德尔堡遇见了约利，约利嘲讽迈尔说，如果你的理论是正确的话，水能够被晃动而加热。仓促发难，迈尔连一句话也没回答便走了。几周之后，迈尔回到了约利那里坚定地回答说，正是那样，正是那样！
        长期的孤军奋战使得迈尔精疲力竭，1848年，他的两个孩子相继夭折，弟弟因参加革命活动被捕，这几乎使他陷于绝境。1849年他从三层楼跳下自杀，虽然人没有死，但两腿严重骨折，并被送进精神病院被迫接受原始而又残酷的治疗，他的身心遭受相当严重的摧残。1871年，他才被英国皇家学会授予科普利奖章，终于在晚年得到了他应该得到的荣誉。
          英国物理学家焦耳（1818—1889）几乎同时提出了能量守恒原理，他的遭遇也和迈尔一样。焦耳出生于一个富有的啤酒酿造商家庭，幼时因为身体不好，一心呆在家里读书，他对实验特别着迷，而且热衷于精密的测量工作。父亲很支持他搞科学研究，在家里为他建了一个实验室。1833年父亲退休，焦耳接替父亲经营啤酒厂，在业余时间继续进行关于热量和机械工的测定工作。
        1840年，焦耳测量电流通过电阻线所放出的热量，得出了焦耳定律：导体在单位时间内放出的热量与电路的电阻成正比，与电流强度的平方成正比。焦耳定律给出了电能向热能转化的定量关系，为发现普遍的能量守恒和转化原理打下了基础。
         1843年，焦耳用手摇发电机发电，将电流通入线圈中，线圈放在水中用来测量所产生的热量。结果发现，热量与电流的平方成正。这个实验显示了机械做功如何转变为电能，最后转变为热的全过程。
     在此基础上，焦耳进一步测定了机械功的量，从而第一次给出了热功当量的数值：每千卡热量相当于460千克米的功（即将460公斤物体提升一米或一公斤物体提升460米所做的功）。热功当量的测定是对“热之唯动说”的有力支持，也是对能量不灭原理的一个重要表述。
        以后，焦耳又以多种方式测定热功当量。1845年，他设计了气体膨胀实验，测得热功当量为每千卡热量相当于436千克米的功。1847年，他设计了一个绝热容器中用叶轮搅动水的方法，更精确地测定热功当量。
      焦耳因为是一位业余的实验爱好者，他的这些工作当时也没有引起注意。皇家学会拒绝发表他早期的两篇论文。他申请自然哲学教授的候选人，仍因容貌缺陷而未获准。他继续当一个酿酒商，并继续他的科学研究。 
         1847年4月，焦耳在曼彻斯特作了一次通俗的学术讲演，介绍了他测定热的机械当量的新实验，即用铜制翼轮来搅动水，使水温升高。有一家报纸甚至拒绝报导这件事，经过很长时间的争论，《曼彻斯特信使报》才全文发表了焦耳的演说。
         1847年6月，在英国牛津科学促进会上，焦耳希望报告一下他正在做的测量热功当量的实验，会议主席只允许他作简短的口头描述，而无须进行讨论。当会议丝毫不考虑焦耳新思想而要立即转入其他议程的时候，年仅23岁的威廉．汤姆逊站起来发言，从而引起了人们对这个理论的新兴趣。结果，焦耳的能量守恒和转化定律的思想引起了很大的轰动，焦耳本人才成为科学界注意的人物。
         同年，德国物理学家赫尔姆荷兹（1821—1894）发表了《论力的守恒》一文，系统严密地阐述了能量守恒的原理。接着，他又把能量的概念推广到热学、电磁学、天文学和生理学等领域，提出了能量各种形式相互转化和守恒的思想。他将能量守恒和永动机之不可能相提并论，使这一原理拥有更有效的说服力。也正是由于赫尔姆荷兹的贡献，焦耳以实验为基础的能量守恒原理在1850年左右才开始得到公众的广泛认同。
     关于能量守恒原理，卡诺首先在设计中提出了这一原理，迈尔则首先发表了思辨的论文，焦耳则提供了确凿的实验证据和测量数据，赫尔姆荷兹全面而精确地阐发了这一原理。
        根据能量守恒和转化的原理，我们可以发现，人类所能运用的能源均来源于太阳。人类自身内部所消耗的能源来自与动植物，其所利用的木材、煤炭、石油、也是来自于现在或者远古时的动植物，这些动植物以及我们所能利用的外部能源水力、风力、电力也最终还是来自于太阳。
        能量守恒原理揭示了自然科学各分支之间惊人的普遍联系，是自然科学内在统一性的第一个伟大的证据，并被称为热力学第一定律。恩格斯从辩证唯物主义的高度对能量守恒和转化定律加以概括和总结，指出：“运动的不灭不能仅仅从数量上去把握，而且还必须从质量上去理解”。
        所谓量的方面，指的是物质的运动既不能创造，也不能消灭，只能转化，并且在转化中有严格的当量关系；所谓质的方面，指的是物质运动形式是多种多样的，这些运动形式的相互转化的能力是永远不会丧失的，而这种转化的条件是物质运动本身所具有的，这样，能量守恒和转化定律便成了一条普遍规律。
        恩格斯指出：“任何运动形式都证明自己能够而且不得不转变为其他任何运动形式。到了这种形式，规律便获得了自己的最后的表达。由于有了新的发现，我们可以给它提供新的证据，提供新的更丰富的内容。但是，对于如此表述的规律本身，我们是不能再增加什么了。在普遍性方面——其中形式和内容都同样普遍——这个规律是不可能再扩大了：它是绝对的自然规律。”