能量守恒定律的发现历史
“能量转化和守恒定律”的提出必须建立在三个基础之上：①对热的本质的正确认识；②对物质运动的各种形式之间的转化的发现；③相应的科学思想。到19世纪，这三个条件都具备了。
19世纪中叶发现的能量守恒定律是自然科学中十分重要的定律，它的发现是人类对自然科学规律认识逐步积累到一定程度的必然结果，能量守恒定律是联系机械能和热能的定律。
从18世纪末到19世纪中叶这段时期里，人类在积累的经验和大量的生产实践、科学实验基础上建立了热力学第一定律。在此过程中，德国医生J.迈尔和英国物理学家J.焦耳作出了重要贡献，他们各自通过独立地研究做出了相同的结论。1842年迈尔在《论无机界的力》一文中，曾提出了机械能和热量的相互转换原理，并由空气的定压比热容同定容比热容之差计算出热功当量的数值。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25种情况。焦耳从1840年起做了大量有关电流热效应和热功当量方面的实验（见焦耳热功当量实验）。于1840—1845年间陆续发表了《论伏打电池所生的热》、《电解时在金属导体和电池组中放出的热》、《论磁电的热效应及热的机械作用》以及《论由空气的胀缩所产生的温度变化》等文章。他通过各种精确的实验，直接求得了热功当量的数值，其结果的一致性，给能量守恒和转换定律奠定了坚实的实验基础。除了迈尔和焦耳之外，还有许多科学家也对热力学第一定律的建立作出过贡献。如1839年M.塞甘作出了论述热化学中反应热同中间过程无关的定律的文章；1843年 L.科耳丁发表了测定热功当量的实验结果；1847年H.亥姆霍兹在有心力的假设下，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等等。在这段历史时期内，各国的科学家所以能独立地发现能量守恒和转换定律，是由当时的生产条件所决定的。从18世纪初到18世纪后半叶，蒸汽机的制造、改进和在英国炼铁业、纺织业中的广泛采用，以及对热机效率、机器中摩擦生热问题的研究，大大促进了人们对能量转换规律的认识 。 1798年，C·伦福特向英国皇家学会提交了由炮筒实验得出的热的运动说的实验报告。1800年，D·戴维用真空中摩擦冰块使之溶化的实验支持了伦福特的报告。1801年，T·杨在《论光和色的理论》中，称光和热有相同的性质，强调了热是一种运动。从此，热的运动说开始逐步取代热质说。
18世纪与19世纪之交，各种自然现象之间的相互转化相继发现：在热向功的转化和光的化学效应发现之后，1800年发现了红外线的热效应。电池刚发明，就发现了电流的热效应和电解现象。1820年，发现电流的磁效应，1831年发现电磁感应现象。1821年发现热电现象，1834年发现其逆现象，等等。
世纪之交，把自然看成是“活力”的思想是德国“自然哲学”的主要观点。这种哲学把整个宇宙视为某种根源性的力而引起历史发展的产物。当时这种哲学思想在德国和西欧一些国家占支配地位。
最早提出热功转换的是卡诺，他认为：“热无非是一种动力，或者索性是转换形式的运动。热是一种运动。对物体的小部分来说，假如发生了动力的消灭，那么与此同时，必然产生与消灭的动力量严格成正比的热量。相反地，在热消灭之处，就一定产生动力。因此可以建立这样的命题：动力的量在自然界中是不变的，更确切地说，动力的量既不能产生，也不能消灭。” 同时给出了热功当量的粗略值。
卡诺的这一思想在他死后46年，即1878年才被重视。之前的1842年，德国的迈耳最先从“自然哲学”出发，以思辩的方式，由“原因等于结果”的因果链演释出二十五种力的转化形式。1845年，他还用定压比热容与定容比热容之差：Cp－Cv=R，计算出热功当量值为1卡=365g·m。
1843年，英国实验物理学家焦耳进行了更多的工作，测定了更精确的当量值。1850年，发表的结果是：“要产生一磅水（在真空中称量，其温度在55°和60°之间）增加华氏1°的热量，需要消耗772英磅下落一英尺所表示的机械功。” 焦耳的工作，为“力的守恒”原理奠定了坚实的实验基础。
德国科学家亥姆霍兹于1847年发表了著作《论力的守恒》。提出了一切自然现象都应该用中心力相互作用的质点的运动来解释。由此证明了活力与张力之和对中心力守恒的结论。进而讨论了热现象、电现象、化学现象与机械力的关系，并指出把“力的守恒”原理运用到生命机体中去的可能性。由于亥姆霍兹的论述方式很有物理特色，故其影响要比迈耳和焦耳大。
定律的发现者们仍把能量称作“力”；而且定律的表述也不够准确，但实质上已发现了能量转化和守恒定律。将两种表述比较可以看出：“力的守恒”比“永动机不能造成”要深刻得多。“力的守恒”涉及的是当已认识到的物质的一切运动形式；同时是在一定的哲学思想指导下（迈耳），在实验的基础上（焦耳），用公理化结构（亥姆霍兹）建立的理论。
“力的守恒”原理虽然有焦耳的热功当量和电热当量的关系式，还有亥姆霍兹推出的各种关系式，但都是各自独立的，尚未用一个统一的解析式来表述。 对定律进行解析表述，只有对“热量”、“功”、“能量”和“内能”这些概念准确定义才行。在18世纪，“热量”慨念是热质的量。1829年，J·蓬斯莱在研究蒸汽机的过程中，明确定义了功为力和距离之积。而“能量”的概念则是1717年，J·伯努利在论述虚位移时采用。1805年，T·扬把力称为能量，由此定义了扬氏模量。但其定义一直未被人们接受。有一批有识之士认识到定律的重大意义并为完善定律进行了卓有成效的工作。其中最著名的是英国的W·汤姆孙和德国的R·克劳修斯。正是他们在前人的基础上提出了热力学第一和第二定律，建立了热力学理论体系的大厦。
1850年，克劳修斯发表了《论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定律》的论文。指出卡诺定理是正确的，用热运动说明并加上证明。认为单一的原理即“在一切由热产生功的情况，有一个和产生功成正比的热量被消耗掉，反之，通过消耗同样数量的功也能产生这样数量的热。” 加上一个原理即“没有任何力的消耗或其它变化的情况下，就把任意多的热量从一个冷体移到热体，这与热素的行为相矛盾。”来论证。把热看成是一种状态量。
克劳修斯最后得出热力学第一定律的解析式：
dQ=dU-dW
这时能量转化和守恒定律与热力学第二定律的熵的表述一起构成了热力学理论体系的基础。
1853年，汤姆孙重新提出了能量的定义：“我们把给定状态中的物质系统的能量表示为：当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用之和。” 把态函数U称为内能。人们开始把牛顿的“力”和表征物质运动的“能量”区别开来，并广泛使用。在此基础上，苏格兰的物理学家W·兰金把“力的守恒”原理改称为“能量守恒”原理。
1854年起，克劳修斯作了大量工作，努力寻找一种为人们容易接受的证明方法来解释这条原理。1860年，能量守恒原理被人们普遍承认。
迈杰
2024-11-30 广告
