能量守恒与转化

被恩格斯誉为19世纪自然科学三大发现之一的能量守恒与转化定律，是19世纪众多科学家以不同的方式所共同发现的伟大定律。这个定律的发现者之一——英国物理学家焦耳，是个自学成功的科学家。焦耳1818年12月24日出生于英国索尔福的酿酒商家庭。由于家境贫寒，父亲无力供他上学，他从小就跟父亲学会了酿酒。焦耳是个非常聪明和勤奋的孩子，在学艺之余，自学化学和物理。他除了在酒厂酿酒外，把其他时间都用在了学习和实验上。在此期间，焦耳积累了许多珍贵的工作经验，这为他的实验和研究工作打下了良好的基础。由于他从小在酒厂劳动，因此，很早就认识到了准确测量的重要性，这使他逐渐树立了科学的精确的测量的思路。

后来经人介绍，焦耳认识了英国著名的化学家和物理学家道尔顿。道尔顿当时已经建立了原子论，名声很大，同时他也是从困境中自学成功的，所以对年轻的焦耳非常同情。相同的境遇使他给了焦耳以极大的关心，亲自指导他的学习，使焦耳学到了很多新知识，又给了他许多热情鼓励。然而没过几年，道尔顿就去世了，这使焦耳失去了一位慈祥的导师。他不仅从道尔顿那里学到了许多科学知识，也学到了道尔顿坚韧不拔、顽强奋斗、矢志不渝的钻研精神，从此开始了他为科学事业奋斗的历程。由于受到道尔顿优秀品质的熏陶，焦耳在科学事业上也养成了勤奋认真的习惯，他把道尔顿的谆谆教导铭刻在心上。每次进行研究和实验时，他都是抱着揭不开秘密不罢休的科学态度进行的。所以，焦耳在很年轻时，就已经成为科学界知名人物了。

19世纪中叶，物理学和化学等学科的发展正在孕育着一个新的突破。焦耳正处在这样一个伟大变革的中心，他在实验室夜以继日地进行实验研究。1840年，焦耳经过多次通电导体产生热量的实验，发现电可以转化为热能，并且得出这样一条定律：导电体所产生的热量与电流强度的平方、导体电阻和通电时间成正比。根据这些实验结果，他写出了第一篇科学论文——《电流析热》。此时，焦耳才23岁。这一定律的发现，使电学的研究又迈出了至关重要的一步。英国另一位物理学家楞次也独立地发现了这一定律。所以，人们又把这一定律称为焦耳-楞次定律。

在上述发现的基础上，焦耳继续研究探讨各种运动形式之间的能量守恒与转化关系。1843年，他发表了《论水电解时产生的热》和《论电磁的热效应和热的机械值》两篇论文，第二篇论文在英国考尔克举行的英国学术会议上宣读，引起了与会科学家的极大兴趣。焦耳发现，自然界的能量是不会毁灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热能，热只是能量的一种形式。这一发现当时引起了强烈的反响，轰动了整个科学界。在此之前，机械唯物论的热质说一直统治着科学界。焦耳的发现，无异于在这个看似平静的水面投下了一块不大不小的石子，激起了波澜。

焦耳在证明能量不灭学说之后，继续改进实验方法，不断提高实验精度，通过各种方法的实验，终于总结出一个非常重要的物理常数——热功当量。

焦耳所做的实验相当巧妙。他把一支小桨放在水中使它旋转起来，转一会儿水就热起来了。他一面用精确的方法把水变热所需要的时间计算出来，一面又把水中放出的热量测量出来。这样，经过反复多次试验和计算，最后证明了，凡是用一定量的功所产生出来的热量，永远是固定不变的，这一结论证明了热是能量的一种形式。但是焦耳的这一实验成果遭到一些科学家的强烈反对，保守的英国皇家学会拒不接受他的论文。但是，焦耳坚信自己的实验结果和事业的正确，坚持不懈地做实验，一直坚持了40年，做了400多次实验。测得的常数就是后来所说的热功当量。

在1849年，焦耳所测出的热功当量值为：423.8千克·米/千卡。此后30多年中，各种实验所测得的都是这个数值。它比后来公认值427千克·米/千卡只小0.7%。从当时的实验条件和检测手段来看，焦耳能够取得这样准确的数值是可贵的，也是十分惊人的。但是，焦耳所做的这一切，直到1850年才被人们所接受，这一年，焦耳成了英国皇家学会会员。就连当时曾经反对过焦耳的英国物理学家威廉·汤姆逊也改变了自己的观点。1853年，在焦耳的协助下，汤姆逊对能量守恒和转化这一定律做了准确的描述。

由于焦耳发现了上述重要公式以及对电学、热学和热力学方面的杰出成就，对物理学的发展做出了至关重要的伟大贡献，因此，他引起了科学界的注意。1853年，他获得了英国皇家学会授予的开普勒金质奖章。1872年和1877年，焦耳荣任英国科学促进学会主席。他的主要科学著作有：《论伏特电池产生的热》《论电磁的热效应和热的机械值》《测量热的机械》《热的机械当量》等。当时，德国物理学家赫姆霍兹和法国物理学家卡诺等人也相继同时发现了这一定律，但是，未能像焦耳那样精确测量出热功当量值，所以人们为了纪念这位伟大科学家的杰出贡献，把热功当量单位称为焦耳。后来，恩格斯把这一定律科学地概括为：能量守恒和转化定律，成为19世纪三大发现之一。

焦耳是科学史上自学成功的一个典范。他虽然天资聪颖，但无缘上学，不得不跟着父亲在酿酒厂里劳动。但他有崇高的志向，不放弃任何学习的机会。正是在酿酒厂里的实际锻炼，使他养成了精确测量的习惯，为他后来精确地测量出热功当量奠定了良好的基础。焦耳的成功还来自于他对事业孜孜不倦的追求。当他已经非常精确地测量出热功当量的数值而不被接受和承认，甚至遭到保守派的反对和非议时，他并没有灰心，而是继续坚持做实验40多年，经做了400多次实验，每次都是那样认真和一丝不苟。因此，称赞焦耳为伟大的科学家和自学成功的典范，他是当之无愧的。