第一定律与能量守恒定律

第二节　第一定律与能量守恒定律

一、热力学第一定律

热力学第一定律是热力学的基本定律之一，是能量守恒和转换定律在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。能量守恒和转换定律的内容是:自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转换和传递的过程中，各种形式能量的总量保持不变。

1.历史回顾

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，德国医生迈尔和英国物理学家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，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年塞甘发表r论述热化学中反应热同中间过程无关的定律的文章;1848年科耳丁发表了测定热功当量的实验结果:1842年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。

2.系统内能及其变化

热力学第一定律涉及到内能同想象能量形式间的相互转换，它给出了系统在状态发生变化的过程中，从外界吸收的热量、对外界做的功以及系统本身内能的变化三者间的定量关系。

利用焦耳测定热功当量的实验装置，把装置中的水作为绝热系统，系统开始处于某一平衡状态Ⅰ，靠外界对水作功使之达到终了的平衡状态Ⅱ。实验结果表明，系统由态Ⅰ经各种绝热过程到达态Ⅱ时，外界对系统所做的功都相等。由此得到结论:绝热过程中外界对系统所做的功只同系统的初态和终态有关，而同中间经历什么状态无关。因此这个功的值必定等于一个态函数在终态及初态的差值，这个函数称为内能，用U表示，于是有

式中A为外界对系统做的功，U_Ⅰ、U_Ⅱ分别代表系统在态Ⅰ与态Ⅱ的内能值，因而U_Ⅱ－U_Ⅰ表示系统经历一绝热过程由态Ⅰ到态Ⅱ时其内能的增加量。式(1)说明在绝热过程中，外界对系统所做的功等于系统内能的增加。这正是能量守恒与转换定律在绝热条件下的特殊情况。

3.第一定律的数学表述

为建立第一定律的数学表述，可将式(1)推广到非绝热过程，以所研究的系统M同另一系统N一起构成一个大绝热系统M+N，但M同N之间不绝热、不做功，大系统对外界所做的功A仅由M来完成，即A=A_M，大系统的内能为M及N两者内能之和U_M+U_N。当大系统经历一过程时，根据式(1)应有△(U_M+U_N)=A_M。令△U_N=－Q，则

Q称为系统M所吸收的热量，它实质上是系统N所减少的内能。由于N对M和外界均没有作功，所以系统N减少的内能以传热方式传给了系统M。因上式中的系统M是任意的，可去掉角标M，则有

这就是热力学第一定律的普遍数学表达式。它的物理意义为:任一过程中，系统所吸收的热量在数值上等于该过程中系统内能的增量及对外界做功的总和。第一定律揭示了热量是被传递的能量，是与功相当的同过程有关的量，不是什么“热质”，也不是热力学系统状态参量。由此人们对“热量”这一概念有了正确的认识。式(3)称为热力学第一定律的积分形式，因为它是就有限过程来说的。若考虑一无限小的过程，则与式(3)等价的第一定律的微分表达式为

必须注意的是:其中dU是全微分，而d－Q和d－A均表示小量，它们不是全微分，因为在一有限过程中，Q和A均同过程有关。

式(3)表达的是封闭系统(同外界没有物质交换的系统)的热力学第一定律。如果系统是开放的，与外界既可以有功和热量的作用，还可以有交换物质的相互作用，则第一定律将表述为

式中的z表示因有物质由外界进入系统而带入的能量数值。第一定律还可应用于化学反应的系统。

在热力学第一定律的公式(3)、(4)、(5)中，重要的是内能这个量，它是在平衡态条件下定义的，不能任意地把它应用于非平衡态。因此需作两点说明:①在公式中仅仅涉及到初、终二态，所以仅要求系统的初态和终态是平衡的，而不论中间所经历的状态是否平衡。②这些公式可以推广到处于局域平衡的系统。所谓局域平衡指的是就系统整体看处于非平衡态，而就其每一宏观小的局部看可近似地认为处于平衡态。因而整个系统的内能U在一定的条件下，等于各小部分内能U_i之和，即U=∑U_i。

“第一类永动机是不可能造成的”是热力学第一定律的另一种表述方式。在第一定律确立前，曾有许多人幻想制造一种不消耗能量但可以做功的机器，称为第一类永动机。制造这种永动机的努力的彻底失败，从反面促进了能量守恒和转换定律的建立。由于机器必须能连续工作，即要求其工作物质(热力学系统)必须完成循环，因而工作物质的内能不变△U=0，由式(3)得Q=A。这表明系统在一循环中，对外界做的功应等于在该循环中从外界吸收的热量。如果不吸热，Q=0，则必有A= 0。显然若不从外界吸热，却对外作了不等于零的功，这是违背能量守恒和转换定律的。热力学第一定律有广泛的应用，是一切热力学过程必需遵从的规律。

二、热动说与热质说之争

热是什么?这是人们很早就开始探讨的一个问题，自古以来就有不同的看法。在科学史上，关于热的本性的问题，曾有热动说与热质说的长期争论。争论的中心问题是:热是一种运动，还是某种具体物质?今天对此已有定论，热就是一种运动。但是取得这样一个明确的结论却经历了一个曲折的历程，回顾这一重大争论的历史可能获得一些有益的启示。

人类诞生以后，从春温夏暑到秋凉冬寒等不同气候条件中，就感受到了冷热变化的影响。所以热是什么的问题很自然就引起了人们的思考。不少古代思想家对这个问题作出过直觉的猜测，而且从一开始就隐含着两种对立的观点。

大约公元前11世纪，在我国就产生了“五行说”。这是最早的一种关于世界物质组成和物质本原的学说，它认为世界万物都是由水、火、木、金、土这五种基本元素组成的。在很可能是战国后期写成的《尚书·洪范》一书中，对“五行”作了进一步的阐述:“五行，一日水，二日火，三日木，四日金，五日土。水日润下，火日炎上，木日曲直，金日从革，土日稼穑。”这里所说的“火日炎上”，炎是指炎热，上指向上，都是物质的一些基本属性，意思是说火是由炎热、向上这样一些基本性质构成的。春秋战国时期形成的“元气说”，把气看作万物的本原，并对日月、水火、冷热、阴阳的关系作出说明:“积阳之热气生火，火气之精者为日;积阴之寒气者为水，水气之精者为月。”这里把冷热现象同气联系起来，可以说是一种热的物质说。当然，作为热的物质说，有把冷热原因归之于“外物”的来去的，也有把冷热变化看作是“内物”的作用的，不管哪一种说法，都是把热(火)看作是实体物质。在古希腊也有类似的猜测。

公元前6世纪，古希腊哲学家赫拉克利特(约公元前540～约前475)提出火是一切自然事物的普遍始源，火的变化形成自然现象的普遍循环:“一切转为火，火又转为一切，……”另一位古希腊哲学家恩培多克勒(约公元前495～约前435)提出“四根说”，把火、气、土、水四个根作为世界的本原，四个根在数量上按不同比例进行混合，就造成了万物在性质和形态上的千差万别。这一思想被亚里士多德(公元前384～前322)进一步作了发展，他认为世界的基础是某种原初物质，它具有两组对立的特性:热和冷，干和湿。这些特性的结合形成四种基本元素:火，即热加干;气，即热加湿;水，即冷加湿;土，即冷加干。热的物质说在古希腊原子论者那里，得到了最明确的表述。他们认为原子由于形状、次序和位置上的区别而形成不同的元素，水、火、气、土等其实就是某些原子集合而成的;热是非常精细的一种原子的表现;炎热和寒冷从根本上说都是物质性的;等等。

与此同时，关于热的运动说的思想萌芽也已产生。我国古代的“阴阳学说”，从自然现象中抽象出阴和阳两个对立的基本范畴，用以解释万物。在“阴阳学说”中，把热和动同归属于阳的范畴，把冷和静同归属于阴的范畴，这实际上是把热和运动联系起来了。元气论的发展，形成了一种认为包括冷热在内的一切自然现象都是元气的运动变化的观念。唐代柳宗元(773～819)就提出，元气缓慢地吹动，造成炎热之气;元气的迅速吹动，则造成寒冷之气;冷热交替而发生作用。柳宗元已明确地把冷热变化看作是元气的不同运动状态。古希腊哲学家也有类似的见解，米利都学派从泰勒斯(约公元前624～约前547)开始，把水看作万物的基原物质，并认为热本身是从湿气里产生靠湿气而维持的;阿那克西曼德(约公元前610～约前545)认为自然现象的统一的和永恒的基原是“无定”，从“无定”中产生出各种自然现象;阿那克西美尼(约公元前588～约前524)则主张自然界的基原是气，气的浓缩和稀释形成了各种实体:在浓缩时依次形成风、云、水、土和石头，它很稀时就形成了火。总之，他们是把热(火)看作是由基原物质的运动变化产生出来的。

上述看法还不能称之为科学的探讨，而更多的是一些哲学上的观点。因此要把这些思想家截然分明地划为热的物质说与热的运动说这两个不同的阵营，是比较困难的。在每个人所提出的学说中，都可以发现这两种学说的某些萌芽成分。可以说，在古代思想家那里已经埋下了关于热的本性的争论的种子。

随着近代科学的发展，古希腊的原子论思想逐步得到复兴，这也就必然影响到人们对热的本性的认识。到16、17世纪，关于热物质说得到了充分的发展。当时非常有影响的一些人物，如意大利著名科学家伽利略、法国唯物主义哲学家也是科学家的伽桑狄、英国著名化学家玻意耳等都持热质说观点。伽利略对力学的研究为整个近代科学的发展提供了基础，他同时也接受并改造了古代哲学家的原子论。他认为，物质世界中的一切具体的物体都是由绝对不变的原子所组成的，火就是具有一定体积、一定形状和一定速度的一群原子的特殊结合。

伽桑狄继承和发展了古希腊伊壁鸠鲁的原子论，认为宇宙万物有两个本原:物质和虚空;虚空的空间是不动的，不依赖于物体的变化，物质则是由不可分割的原子形成的。所以，他认为原子是原始的、简单的、不可分割和不可消灭的要素。原子之间有大小、形状和量的区别，因而由它们所组成的物态就具有了不同的性质。例如，火焰、烟雾和灰烬等本来就以不同形式的原子存在于木头之中，所以当木头燃烧时这些东西就显现出来了。同样，冷和热也都是特殊的“冷”原子和“热”原子所引起的。它们非常精细、十分活跃，能渗透到一切物体之中。

玻意耳在他所从事的化学和物理两个领域的实验研究中，都遇到了热现象。他曾经观察了锻打小刀锤击铁钉时的生热现象，认为这是由于工件的运动受到阻碍而在它的内部产生的强烈又杂乱的运动。这使玻意耳倾向于热是由物质的机械运动构成的观点。但是他所进行的燃烧实验，却使这种热的运动说出现了困难。1673年，他在《关于火焰与空气的关系的新实验》一文中，叙述了这样一个实验:把烧红的铁块放入钟罩里，用抽气机抽出钟罩里的空气，在它里面形成一个真空状态。然后用各种可燃物做燃烧实验，发现钟罩上仍然能感到热。当时这对于热的运动说是一个不小的打击。因为钟罩里已是真空状态，不会有什么物体去撞击钟罩的壁而使它发热，除非是热自己从燃烧物体跑到钟罩上去的。另外，特别要提到的是，当时科学的发展还没有能对空气的组成和燃烧过程给予说明和解释，所以都把火和热看作是一回事。玻意耳也不例外，他在《使火与焰稳定并可称重量的新实验》中，说他曾把一块锡放在敞口烧瓶里加热，发现重量增加了;把锡封入甑中称重后再加热，待锡冷却后取出再称重，同样得出重量增加的结果。这样一来，玻意耳就完全站到了伽桑狄的热原子说一边。他设想，存在着某种“火粒子”，它十分微小，具有重量而且能贯穿一切物体。有了这种“火粒子”，上述实验结果都得到了解释:真空状态下靠这种“火粒子”的运动给钟罩传热;金属加热时这种“火粒子”穿过玻璃被金属吸收后使金属增重。

在当时形成和提出这种思想都不是偶然的。在玻意耳之前，1667年德国化学家贝歇尔出版了《土质的自然哲学》一书，就对燃烧问题做了系统的论述。他认为构成各种物体的初始元素是空气、水和土质，土质可分为三类:石土、汞土和油土。其中油土是可燃烧性的，一切可燃的物体就是因为都含有油土。1703年，德国化学家和医生施塔尔对贝歇尔的学说倍加推崇，重版了《土质的自然哲学》一书，并在1723年出版的教科书《化学基础》中，把贝歇尔的“油土”改称为“燃素”。他赋予燃素为一种气态物质，它存在于一切可燃的物质中，在燃烧过程中，它从可燃物中散出，与空气结合，从而发光发热。施塔尔还指出，“燃素”是火的元素，而非火本身，燃素的稠密程度不同，就分别成为火和热，分散状态的燃素就是热。

“燃素说”与“火粒子说”对燃烧现象的解释是不相同的，玻意耳的“火粒子说”认为煅烧是金属与火粒子的结合过程，而燃素说则认为燃烧是物体与燃素粒子分离的过程。燃素说为了能自圆其说，不得不让燃素具有“负重量”的奇特性质。不管怎么说，“燃素说”与“火粒子说”都是把火(热)看作是独立的物质粒子。

关于燃烧现象的这种基本思想促进了热质说的发展。荷兰科学家波尔哈夫根据对热交换过程的研究，提出热是钻在物体细孔中的具有高度可塑性和贯穿性的物质粒子，它们没有重量，彼此之间有排斥性，而且弥漫于全宇宙。当时虽然还没有明确地给这种物质粒子命名为“热质”，但是把热看作是一种物质粒子的基本思想已经确立。

在量热学的研究方面作出了重大贡献的英国物理学家布莱克，也对热质说的发展起了推动作用。布莱克对在热的本性上的两种不同看法之间的争论是有所了解的，但他对热的运动说存有疑虑。他认为，如果说是由于在物体内部粒子相互碰撞使它们的运动加剧而发生热，那么为什么同样锤击一块软铁与弹性钢球，软铁会变得很热而钢球却一下热不起来?另外，他还想到，如果热是由物体内部粒子的运动造成的，由于密度大的物质中粒子之间的相互吸引力大，让它们振动起来也就比较难，因而它的比热应该比较大。但是实际上有些密度大的物质的比热却比密度小的物质的比热要小。例如，水银的密度比水大，但是实际上水银的比热小于水的比热。这样布莱克就成了热质说的主要倡导者。他以热质说为理论基础，在热学研究方面做出了两个重大的贡献。他重复了波尔哈夫等人的实验，再次证实了相同重量的两份不同温度的水相混合，混合后水的温度正好是它们温度的中间值;可是把相同重量的热水与冷的水银混合在一起，混合后的温度却不是它们温度的中间值，而是更接近于水的温度。为了解释这一疑难，布莱克主张把热量和温度两个概念分开，一个是指“热质的量”，一个是指“热的强度或集度”，这就如同把物质的量即质量与物质的集度即密度分开一样。对不同的物质改变相同的温度，所需要的热量是不同的，这种不同就在于物质“对热的亲和性”或“接受热的能力”的不同。热学中的重要概念热容量和比热就是在这一基础上建立的。布莱克的另一个贡献是提出了“潜热”的概念，他从实验中发现:冰在熔解时需要吸收热量，而温度计的指示数值却不变，进而发现所有的物质在物态发生变化时都有这种效应。为了回答那些热量哪里去了的问题，他把热质的作用分为两类，一类是“自由热”，用以改变物体的温度;另一类是“潜热”，不改变物体的温度却可以改变物态。“潜热”就是可以“隐藏的热”，通过物态变化可以存放，也可以取出。布莱克曾在他编写的《化学原理讲义》中写道:“大量的热或热物质进入溶水以后，除了给它以流动性之外，并没有产生想象效应，也没有增加它的温度;这种热好像被溶水吸收或潜伏在冰水之中，因此，用温度计去量也无法予以发现。”

从热质说出发，使得许多热现象得到了统一的解释，就使热质说逐渐成为在热学研究中占统治地位的理论。到18世纪80年代，几乎整个欧洲都相信热质说是正确的。法国著名化学家拉瓦锡于1777年写出了《燃烧理论》，全面地阐述了燃烧的氧化学说，推翻了燃素说。但是，他依然把热看成是一种特殊的物质元素，并于1787年同他人一起把这种特殊的物质元素命名为“热素”(热质)。1789年，拉瓦锡在他出版的《化学原理教程》一书中，把“热素”和“光”一起列入无机界23种化学元素中。他认为，热质是“没有重量不可称量”的流体。可见，热质说已经达到了它的鼎盛时期。

不过，对于热的本性的认识始终是存在两种不同观点的争论。近代科学诞生之后，形成了一个总的思想是:物理世界仅仅是由运动着的物质构成的，热的、光的、声的、电的各种自然现象，都是由物质和运动这两个基本要素决定的。所以对热到底是什么这个问题，也是从物质和运动这两方面来考虑的。除了热质说把热看作是一种物质以外，从近代科学开始就有人认为热是一种运动。

被称为“实验科学始祖”的英国哲学家培根，就较早地提出热是一种运动的观点。作为近代归纳法的创立者，在归纳了大量经验事实的基础上，培根对热的本质进行了分析。他看到，火焰和正在燃烧的物体固然是热的，但温泉和沸腾的水也是热，而水里并没有火，这说明热同火有联系却并不是一回事。另外，火石同钢块碰击会发热，铁砧被锤打会发热，石头、树木被摩擦也会发热，甚至动物剧烈运动后也会散发出大量的热。从这些事实中，培根认识到热是在物体作剧烈运动或碰撞摩擦时所激起的。所以他认为，“热的本质和实质就是运动，而不是别的什么”。为了进一步解释热现象，他还得出这样的结论:“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体内部较小的粒子之上的运动。”

培根的观点影响了当时英国的一些科学家，玻意耳早期也曾认为热是由物质的机械运动构成的;胡克于1665年在他的《显微术》一书中提到，热不是什么想象东西，而是“一个物体的各个部分的非常活跃和极其猛烈的运动”;牛顿也曾发表过类似的看法，他认为物体内部各微小部分的振动正是“它们的热和活动性的由来”。在英国以外的地方，法国哲学家和自然科学家笛卡儿在他的宇宙学说中，表达了热是由最精细的物质粒子的旋转运动产生的想法。俄国的罗蒙诺索夫在他的《论热与冷的原因》中，认为热是由分子的转动引起的。这些关于热是运动的观点，虽然提出了与热质说不同的见解，也对热质说表示了异议，但是由于两个主要的原因使这种观点未能成为主导理论。一个原因是，一些科学家所表达的热是运动的观点，较多的是猜测而缺乏足够的实验依据;另一个原因是，他们所提到的运动仅是指机械运动，还难以真正揭示出热的本质。

热质说与热的运动说之间的激烈交锋是在18世纪后期。这是由于两个方面的发展带来的，一方面是随着认识的深入，热质说遇到了一些难以解释的问题;另一方面随着科学的进步，有了支持热的运动说的实验。

按照热质说，热质粒子之间是彼此互相排斥的，因此物体在吸热时体积一定膨胀，冷却时体积一定收缩。但是发现了有少数物质却表现出“热缩冷涨”的反常特性，例如4℃以下的水就如此。这种反常令热质说难以解释。另外，关于热质是否同燃素一样具有重量的问题，也给热质说带来了麻烦。玻意耳认为“火粒子”具有重量;波尔哈夫则认为热粒子是没有重量的;还有一位英国医生提出热质的重量是负的。在热质有没有重量的问题上，赞成热质说的科学家们也没有统一。正是从这个问题入手，英籍物理学家伦福德对热质说进行了挑战。他用当时最精密的天平测量了物质在温度变化前后质量的变化。他把同样质量、同样温度而不同比热的水和水银放在天平两端，由于水的比热比水银大得多，水放出的热量就应远比水银多，若热质有重量，降温后水的重量要比水银轻得多，可实际上天平始终保持平衡。这个实验虽然否定了关于热质具有质量的设想，但是对热质说还不构成致命的打击。

真正使热质说受到威胁的是关于摩擦生热问题的争论。1797年，伦福德在兵工厂监制大炮镗孔工作中，发现大炮被钻削时，在短时间会产生大量的热使金属的温度急剧上升，所以必须不断地向炮孔里注水以降低温度。他从这个偶然的发现中得到了启发，于1798年1月25日在英国皇家学会宣读的一份题为“论摩擦激起的热源”的报告中，他写道:“最近我在慕尼黑兵工厂车间监督大炮钻孔工作时，对于铜炮于钻腔时能在很短时间获得大量的热，和钻腔机从炮上切下金属片所获得的更大的热(我从实验中发现，这热比沸水的热大得多)感到十分惊奇。”伦福德敏锐地觉察到彻底研究这一课题，对于热的本质可望获得进一步的认识，从而可以对于热质存在与否这个自古以来众说纷纭的问题，作出合理的推测。接着他提出了这大量的热是从哪里来的问题。他说:“热是否来自钻孔机所切开的金属片?如果情形确是这样的话，那么根据现代的潜热和热质学说，则金属片的热容量不仅应该变化，而且此变化还应该大到足以成为产生所有热的源泉。但是这种变化并没有发生……”他通过实验比较了钻腔前后金属和碎屑的比热，发现钻削并不改变金属的比热。

为了进一步考察热量的来源，伦福德做了这样一个实验:利用大炮底座铸成一个重112磅到113磅的圆形铸件，中间钻一个圆孔。把一根钻头的钻齿磨掉，插入铸件的圆孔里，通过传动装置让一匹马带动钝钻头不断旋转，使之与铸件摩擦。结果在半个小时内，铸件的温度就从60℉升高到130℉，削出的金属屑只有约0.12磅，相当于铸件重量的1/948。按热质说很难回答清楚，从这么少的金属屑中能放出这么多的热量。在另一个实验中，伦福德把铸件放入装有18.77磅的水箱里，让马带动钝钻头旋转，在一个小时内水的温度升高到107℉，在一个半小时内升高到142℉，在二个半小时内竟使水箱里的水沸腾起来。

在一系列实验的基础上，伦福德作出结论:“这些实验所产生的热，或者宁可说所激发的热，不是来自金属的潜热或综合热质，……”在这篇报告的结尾处，他写道:“看来在这些实验中，由摩擦产生的热的源泉是不可穷尽的。毋庸赘言，任何与外界隔绝的物体或物体系统，能够无限制地提供出来的东西绝不可能是具体的物质实体;在我看来，在这些实验中被激发出来的热，除了把它看作是‘运动’以外，似乎很难把它看作为想象任何东西。”伦福德所作的实验以及建立在这些实验基础上的观点，无疑是对热质说一个有力的打击。因为热质说是建立在热质的守恒的基础上的，而伦福德的实验证明摩擦不但能生热而且能产生任意数量的热。但是，科学上的争论往往并不是一下子就可以解决的。伦福德的观点受到了热质说者的种种非议，有人说给大炮钻腔出现的热来源于化学变化;还有人说一切物体都被热质的海洋所包围，在受到摩擦切削时，金属的比热会变小，热质会从金属里挤压出来，但摩擦切削一停止，外界的热质就被吸入金属和金属屑，造成金属与金属屑的比热仍相同;等等。

1799年，一位年轻的英国物理学家戴维发表了一篇题为《论热、光和光的复合》的论文。在这篇论文中，他叙述了一个巧妙而富于独创性的实验。他把两块温度为29℃下的冰固定在一个由钟表改装的装置上，然后把它们放进抽成真空的大玻璃罩内。外面用低于29℃下的冰块与周围环境隔离开，两块冰在玻璃罩里通过相互摩擦而慢慢地融解为水。戴维在论文中写道:“如果热是一种物质的话，它一定是从这几种方式之一产生的。或者是由于冰的热容量减少;或者是两物体的氧化;或者是从周围的物体吸引了热质。”从这个实验来看，“热质”的这几种产生方式都是无法实现的，由此他断言:“既然这些实验表明，这几种方式不能产生热，那么热就不能当作物质。所以热质是不存在的。”他认为，摩擦和碰撞引起了物体内部微粒的特殊运动或振动，这种运动或振动就是热。

伦福德和戴维的实验与论证是极具说服力的，可以说是为以后热质说的彻底崩溃与热的运动说的确立奠定了坚实的基础。至此，关于热的本性的两种不同学说的争论就告一段落。当然热质说的历史也并未即刻结束，仍有些科学家坚持热质说。直到19世纪，能量守恒与转化定律确立后，热动说才取得了最后的胜利。

三、能量转化与守恒定律的获得

公元前6世纪，古希腊的毕达哥拉斯学派指出了自然界的10种对立现象，认为它们之间有一种“和谐的关系”，最早提出自然界具有和谐性的思想。在此之后，赫拉克利特(前540～470)认为，世界上任何事物都是同一的，不是任何神或人创造的，它过去和将来永远是一团永恒的“活火”。他还认为，世界的基本规律是对立物相互转化的规律。公元前1世纪，古罗马的卢克莱修(前99～前55)认为，没有任何力量能改变物质的总和，因为宇宙之外无物，既不会从宇宙中国出什么物质，也不会从宇宙之外新添什么东西来改变物质的本性和它们的运动。这实质上已是关于物质守恒与能量守恒思想观念的一种比较明显的表露。欧洲文艺复兴之后，英国思想家培根1620年在《新工具》一书中写道:“在自然界中，没有什么比下面两个相连的命题更真实，‘物质不能无中生有’以及‘物质不能化为乌有’……物质的总量保持不变，既不增加也不减少。”当时许多哲学家也认为“宇宙中运动量是不灭的”。上述所有思想观念和论述都是一些猜想和设想，缺少科学的定量证明。

1774年，法国化学家、化学创始人之一的拉瓦锡，将铁屑放在密封的瓶子里，使其燃烧，发生了，化学反应，他测定了反应前后的密封瓶子的质量，结果发现:瓶子连同其中的气体铁屑的总质量没有变化。从此，完成了用实验证明的物质守恒定律。质量守恒定律是化学和经典物理学中的基本定律，是化学反应和各种物理现象所遵循的一条具有普遍意义的法则。

18世纪的大部分时间里，各种自然现象的研究都是分门别类地进行的，人们没有注重它们之间的联系。随着生产的发展和科学实验水平的提高，到18世纪末和19世纪初期，各种自然现象之间的联系和它们之间的相互转化，逐渐被人们发现和认识。

在关于热的本性的争论中，英国物理学家伦福德做出了很大贡献。1798年，他在德国巴伐利亚任陆军部长监造大炮时发现:钻床在钻制炮筒时，炮筒与金属屑的温度都很高。他说:“铜炮在钻了很短时间以后，就会发生大量的热，而被钻头从炮上钻下来的铜屑更热……它们比沸水还要热。”并用实验证明热容量或比热与摩擦无关。他断定:“摩擦可以创造热”、“热是‘运动”，而绝不是一种物质(热质)”。本来，伦福德的实验和事实已可以判处热质说的死刑。但由于许多科学家受传统观念的束缚，拒不接受伦福德的“热动说”观点，嘲笑他“违反常识”，强辞夺理地解释摩擦生热现象，说什么是“潜热”被钻出来了、“是化学反应产生了热”、“是外界的热质跑进来了”等等。

1799年，英国化学家、物理学家戴维做了冰的摩擦实验。他用两块冰在真空条件下摩擦，并使工作环境的温度比冰还低。结果摩擦使两块冰都融化了。“摩冰实验”表明，热确是一种运动，热质不存在。伦福德和戴维的实验取得了重大成果，它使人们认识到，热与机械功是可以互相转化的。

1799年底，意大利物理学家伏打发明了新型直流电源——伏打电堆。此后，人们很快地发现了电流的化学效应、热效应、光效应。

1820年，丹麦物理学家、讲演家、科普作家奥斯特发现了电流磁效应;1821年德国物理学家塞贝克发现了温差电现象;1831年，杰出的英国物理学家、电磁理论创始人之一的法拉第发现了电磁感应定律……

在这之前，拉瓦锡于1777年发现了氧化理论，极大地促进了化学和生物学方面的研究。拉瓦锡证明了动物发出的热量和动物呼出的二氧化碳量之比，基本等于烛焰产生的热量与二氧化碳量之比。19世纪初，德国化学家李比希设想动物的体热相机械活动的能量来自食物的化学能。

上述研究情况表明，到了19世纪30年代。人们已经揭示了机械、热、电、磁、光、化学和生命等各种运动形式间的相互联系相互转化的秘密。科学家们用自然力统一的观点来研究自然科学，取得了突破性的进步，为能量转化与守恒定律的获得奠定了坚实的基础。

1.机械能转化与守恒定律的提出

1755年，瑞士数学家、物理学家欧拉在研究流体力学中最先引入了“力函数”和“速度势”概念。1777年，法国物理学家拉格朗日给出了重力势函数。1807年，英国著名物理学家托马斯·杨在《自然哲学与机械技术》讲义中，最先提出了“能量”概念。他说:“在应用力学中碰到的几乎所有的情况，对于产生运动所必要的功，并不是与力矩成正比，而是与这个功所引起的运动的能量成正比。”“应该用‘能量’一词来表示物体的质量(或重量)与速度的二次方的积。”1823年，英国数学家格林最先提出了“势”的概念。1829年，法国物理学家科里奥利建议将托马斯‘杨提出的“能量”m”。乘以1/2，称为“动能”，并很快得到了公认。同年，物理学家彭塞利明确地提出了动能守恒原理。他在《力学引言》中说:“功的代数和的2倍等于‘活力’的和，在任何时候都不能从‘无’中产生功和‘活力’，功和‘活力’也不能转化为‘无’，而只能组成‘无’。”1834～1835年间，爱尔兰数学物理学家哈密顿提出了哈密顿原理，阐明了保守力场中动能和势能的转化和它们的总和保持不变的规律。这就是机械能转化和守恒定律。机械能的转化与守恒定律为更普遍的能量与转化守恒定律的获得奠定了基础。

2.能量转化与守恒定律的获得

在获得能量转化与守恒定律过程中，德国医生、物理学家迈尔贡献突出。

迈尔虽然是医生，但对物理学很感兴趣，尤其对各种物理现象之间的联系的探讨兴趣更足。1839年，他作为东印度轮船公司的随船医生，远航到印尼的爪哇。他发现船员们的静脉血的颜色比欧洲人要鲜红得多。这引起了他的深思，使他从能量转化的角度考虑问题。1842年，迈尔在《论无机自然界的各种力的意见》的论文中，首先提出了研究的目的是“回答这样一个问题，即我们应当把‘力’(实际上就是现在的能量)理解为什么以及在这些‘力’之间存在什么关系。”“可以说‘力’是不灭的、可转变的、不可称量的对象。”他阐述了机械能转化与守恒定律，并努力寻求一个更加普遍的守恒定律。论文中提出了一个新问题:如果一个运动停止了但又没有看到另一个运动出现时，根据“力”不可能转变为零原理，那么它还能采取什么样的想象形式?接着他以两块金属相互摩擦为例得出结论:“下落‘力’、运动和热之间存在着天然的联系。”“如果下落‘力’和运动等于热，那么热当然必须等于运动和下落‘力’。”“这些论题必然能够从因等于果这一基本定理得出来，并且是完全和一切自然现象符合。”迈尔在1845年发表的著作《与新陈代谢联系着的有机运动》中，将转化与守恒关系从机械能、热能推广到电磁能、化学能和生物能，建立了第一个最普遍最广泛的能量转化与守恒定律。文中写道:“自然‘力’的第四种表现形式是电。摩擦电和分布电是在消耗机械效应的情况下产生的。”“相互接触的物质用所形成的相反的电使它们附着在一起，为了激发电效应就必须把这些物质分开，而这种分开若不消耗机械效应是办不到的。”关于化学能，他写道:“通过某些物质的化学结合，能够达到象机械结合中一样的效果，即产生热。化学上保持分离，或说得简单些，物质的化学差也是一种‘力’。”概括这五种形式的定律，就得到了一个“普遍定理”，“即在一切物理和化学过程中，一个给定的‘力’保持为一常量”。在这部著作的后半部，迈尔着重讨论了生物能的情况。他指出:“太阳是自然力取之不尽用之不竭的源泉;生物界利用阳光产生化学变化，将自然‘力’储存起来，植物世界是能的仓库;动物食用植物，并将它同大气中的氧化合起来，使自身产生机械效应和保持体温;人的机械效应和体热是由化学能转化的，热带生活的人由于人体和气温之差较小，新陈代谢较慢，所以静脉血色比温差大的欧洲人鲜(淡)。”此书最后得出结论:“能量无中不能生有，有不能变无。”这种量的不变性“是一条最高的自然定律”。迈尔是世界上大多数科学家公认的最早获得普遍的能量转化与守恒定律的人，它在科学上的突破性的成就和忘我工作精神将永载史册。

英国实验物理学家焦耳1840年通过大量的实验，确定了电流产生的热量与电阻和电流的二次方之积成正比，得到了电流热效应的焦耳定律。后来人们将楞次的研究成果与之合称电流热效应的焦耳一楞次定律。1843年，焦耳在《关于电磁热效应及热的力学量》论文中，最先给出了热的功当量的最佳值:1千卡=427千克·米。焦耳用了30多年的时间，多次地、精细地进行了热功当量的研究，他所进行的实验堪称经典物理实验的最佳典范。1850年，焦耳在《热的功当量》的实验报告中，精辟地分析了伦福德和戴维的两个实验，用能量转化与守恒定律圆满地说明了这两个实验的物理过程和结果。焦耳热功当量的准确测定，为能量转化与守恒定律的确立奠定了坚实的基础。焦耳是普遍的能量转化与守恒定律的发现者之一，是验证这一定律正确性的最杰出的实验物理学家。他在气体动理论、热力学、电磁学方面都有重要贡献，其中主要的有计算气体分子运动速度、确定分子运动速度与温度的关系、发现气体的焦耳一汤姆孙效应、建立热力学温标以及发现铁磁体的磁饱和现象和磁致伸缩现象。为了纪念焦耳的功勋，科学界将能量及功的单位确定为J(焦耳)。

著名德国生理学家、物理学家亥姆霍兹对能量转化与守恒定律的建立做出了卓越的贡献。亥姆霍兹1838年进入柏林军医学院学习，1842年获博士学位，后任军医和生理学教授、物理学教授。他从事生理学、医学、化学、电动力学、热学、光学、声学和流体力学方面的研究。他知识渊博，视野开阔，成就显赫。1847年7月23日，亥姆霍兹在柏林物理学会议上的报告《论力的守恒》中，从否定永动机存在的特殊途径上获得了能量转化与守恒定律。他认为:永动机设计的屡屡失败表明，必然存在着一条普遍规律——无论利用何种组合和机构，都不能不要代价地获得无穷无尽的可供利用的自然“力”，“不能无中生有地不断创造一个永久的运动‘力…是一条普遍原理。刚开始，人们认为这篇报告是异想天开的胡乱思辩，因此《波根多夫年鉴》拒绝刊登，亥姆霍兹不得不自费出版小册子。报告除了引言和附注外，共分六个部分:一、活力的守恒原理;二、力的守恒原理;三、这些原理在力学中的应用;四、热的力当量;五、电过程的力当量;六、磁和电磁现象的力当量。亥姆霍兹在这篇报告中，具体阐述了热、功、化学能、电磁能、光能、机械能之间的相互转化与体系的能量守恒规律。

1854年，他将能量转化与守恒定律推广到整个宇宙:“那些规律起初是从地球上的物体之间的物理现象推出来的。我认为它们也适用于其他天体。我需提醒一点，地球上被我们称为重力的力，在宇宙间则表现为万有引力。而在无穷远的双星运动中也能够看到它的作用;地球上物体的光和热与太阳和最遥远恒星的光和热，没有本质区别;最后，那些间或从宇宙中堕落到地球上的陨星，包含着同地球上物体一样的化学元素。因此，我们将完全可以将那些支配着一切自然过程的普遍规律，视为同样适用于其他天体。”这种推广是一次大胆的科学突破，至此自然界普遍法则的追索取得了划时代的成果。

3.能量转化与守恒定律的历史评述

能量转化与守恒定律，是反映物质运动及其转化的自然界的基本规律。它表明，自然界中各种不同的运动形式总是不断地相互转化，在转化过程中运动的量是守恒的。恩格斯对能量转化与守恒定律作过精辟的论述，深刻地分析了定律所包含的内容，第一次给出了这一定律的科学的名称。

能量转化与守恒定律，是在人类进入电气时代初期，生产不断发展，科学实验水平不断提高的前提下，科学家们不约而同地从物理学、化学、生命科学、哲学等各个方面，一齐攻关所获得的丰硕成果，各路科学大军胜利会师在追索自然界普遍法则的交汇点处。这表明在与自然界的奋战中，科学家们的群体力量是何等巨大。

能量转化与守恒定律的获得，是在宇宙是和谐的、统一的、简单的、自然界规律是可知的思想观念指引下实现的。这表明正确的哲学思想在自然科学发展过程中具有巨大的指导作用。

能量转化与守恒定律的获得，是自然科学领域中的一次重大突破。它为自然科学的发展提供了牢固的科学依据，恩格斯称它为“绝对的自然规律”，并将它与细胞学、进化论合称为建立辩证唯物主义世界观具有决定意义的“三大发现”。