能量和热动力学

关于物质结构的问题现在被放在一个确定的基础上，因而可以转向另一个问题——物质的行为。

卡诺（1796—1831）　1824年，法国工程师卡诺发表了他科学生涯的唯一一部出版物《关于热的动力能量的思考》。从理论的角度，这是一篇杰出的文章，因为它不仅建立了现代热动力学，而且赋予该门科学的现代形式。但是卡诺对问题的理论方面不太关心，他关心的是作为工程师所要碰到的工业经济的实际问题。蒸汽机已经普遍使用，但必须有燃料才能工作。卡诺希望知道对于某一特定开销的燃料，会得到多少回报，而且如何将回报最大化。他想到通过提高高度来提高重量的办法，他关于热的概念的讨论也因而与工作联系在一起。

焦耳（1818—1889）　卡诺的观点对于科学的进步影响不大，但道尔顿的学生，曼彻斯特的詹姆斯·普雷斯科特·焦耳重新对之进行发展时，情况发生了很大变化。焦耳在功与热的关系方面做了一系列非常熟练的实验，测量了如在容器中搅动水做功产生的热的量。他将自己的单位功定义为“尺磅”，即将1磅重量提升1英尺所做的功；将热单位定义为“卡”，即将1磅水在华氏刻度表上提升一格所需要的热量，然后他提出，两个单位之间存在一种固定的关系，一格单位的热总是提供同样的确定单位的功——该数量我们现在描述为“热功当量”。热和功之间可以互相转换一定已经成为普遍现象，焦耳通过实验显示，这种转换是在固定比率的情况下进行的，并对比率进行了确定。还有运动的动能、势能通常通过活劲来表示，即焦耳所称的“活的力”。另外一种是潜在能，如钟锤提升的能量，焦耳发现，这些也可以通过固定比率进行转换，每一个都有用热或功表达的确定对称项。1847年，他宣布“当活的力被明显毁坏后，无论是通过碰撞、摩擦或是任何类似的方式，都会有确定的热得到回复。相反的情况也是这样……热、活的力和空间吸引（如果与当前课题一致，我也愿意为之发送一道光）是可以互相转换的。而在这些转换中，没有任何损失”（这一点首先通过在教堂阅读室的一个演说向世界宣布，然后在曼彻斯特周报上向世界首次发表）。

法拉第的圣诞演讲

不仅没有任何损失，实际上也没有获得任何物质，因为转换是以固定的比率进行的，这表明，明显的，为什么永久运动是不可能的。任何一个自然系统都含有一个确定但有限的做功能力，而永久运动要求一个无限和不确定的能力。

讨论还可以完全转过来。如果经验表明永久运动是不可能的，这一定意味着通过转换无法获得做功的能量，因而所有转换一定具有固定的转换率。1847年，也就是焦耳宣布自己发现的同一年，德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（1821—1894）发表了一本小册子《力的守恒》，其中他进行了类似的思考并得到了与焦耳一样的结论：热和功可以以固定比率进行互换。焦耳是通过直接实验得到了答案，而亥姆霍兹则是通过基于永久运动不可能这样的抽象思维得出了答案。

开尔文男爵（1824—1907）　大约在同时期，威廉·汤姆森爵士，即后来的开尔文男爵，开始通过数学方法研究这些学说，并在其上建立了连贯的知识体系。现在已经知道，每个物质体系都包含有一个热量场、“活的力”等等，这代表着做功的能力，可以通过固定比率互相转换，而总量在所有转换中保持不变，除非出现了从外界获得或失去的情况。开尔文将这种现象称为“能量”，即将引入物理的术语。

焦耳的原则现在可以表达为能量得到保存，他对该原则的的第一次明确表述主要与机械力和热有关，但是后来他证实该原则同样适用于电力。1853年，化学家尤利乌斯·汤姆森发现能量也在化学转换中得以保存，通过这种方式，能量守恒广泛的一般原则得以在自然科学中确立，与质量守恒形成了匹配的对称。能量，和质量一样，被认为是具有恒常的总量，宇宙中能量和质量重新分配，所发生的一切变化都不会改变其总量。

开尔文勋爵现在为能量或热的测量提出了一个准确的刻度表。在承认热是基于物体粒子的自由运动，他提出温度测量的起点是从0点，即没有此类运动发生开始——温度的“绝对零度”。由卡诺提出的理论思考显示，这对所有物质有效，实验将其确定为-273℃。在此之前的温度计依赖汞或其他物质的热膨胀，但开尔文新的“绝对刻度”与特殊物质的特性无关。