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1、 能量守恒定律和热力学三定律的发现凡是有些见地的人都知道，热力学的意义绝不像热学字面上表示得那么简单，而具有非凡的普遍意义，因为宇宙间存在许多种运动形态，它们之间存在能够转化和等当换算的关系。但是，不论那种运动形态都只能以热的形态进行耗散，所以热学定律适用于各种运动形态，而且实际上不论那种运动形态的量化定律关系都可以用热力学定律予以理解和衡量。为了能够用统一的概念和尺度比较和度量各种运动形态的运动能力（机械运动、热运动、电力、磁力、声动、生物力、化学力、核力等） ，在 19 世纪初 Thomas Young 在这些概念的基础上，提出了统一的概念能态和能量。 19 世纪中叶，把各种运动能力分别称
2、为机械能、热能、电能、磁能、声能、生物能、化学能和核能等。这些能态的数量关系用双边的等当关系当量作为换算的桥梁，即以显示在他们各自的特性背后存在统一的共性和量度关系。同一性和统一的量度，永远是科学研究追求的目标，这个追求导致驾驭各种能态的度量之间存在共同的能量转化和守恒定律。一、能量守恒定律的发现1. 能量概念的由来1802 年英国物理家 ThomasYoung 在皇家学院作了系列讲演，其中提出了科学的能量概念。在讲演的力学部分的第 8 讲中，他认为对于弹性体和非弹性体的碰撞（如弹性变形和塑性变形的能力，子弹打入土或牛脂中）而言：“能量一词很适用于一切物体的质量或重量与其速度的平方有些人竟将它
3、看作运动数量的真实量度为了更好地估价这个力，还是用个不同的名字才好” 。麦克斯韦在热理论中说：“Thomas Young 是第一个应用能量于这个关系（活力）的人”。Ernest Mach 指出“在 1850 年以后能量概念最早由英国物理学家逐渐传到物理领域的” ，这显然指 William Rankine 和 Lord Kelvin 说的。1851 年 William Rankine 在论能量转变的普遍定律文中提出了“potential energy”、 “actual energy ” 和“机械能 ”一词。Kelvin 在 1851 年 3 月写的论热力学理论文中，提出热力学第一定律的能量说法
4、， 1854 年 4 月 他在论太阳系的机械能文中，提出了“kinetic energy”、 “dynamic energy”，并且建议采用“kinetic energy” 作为动能专用词。2. 能量大小的表示法活力（vis viva ）: Huygens 在 1669 年，Leibniz 在 1686 年在学术会报中都提出用“mv 2 ”，后来科里奥利提出用“1/2 mv 2”表示得到学术界的赞同。3. 对热的本质的认识过程：（1） 燃素说：Newton 的粒子说居统治地位后，德国的 J.Becher 在 1669 年提出油土是燃素，G.E.Stahl 在 1720 年左右的化学基础基础中改
5、“油土”为“燃素” ，提出系统的燃素理论，后来被 A.L.Lavoisier 用实验证明质量守恒时，否定了燃素说。（2） 热素说：J.Black 为了说明热与温度的区别，引入不可见的和无重量的热素概念。（3） 热动说：对用热动说取代燃素说起了决定作用的是英国的 Count Rumford 和 Humphry Davy，Rumford 在 1798 年用水冷却源源不断的钻屑，使水温持续上升而无限供热，说明热不是实体而是运动，它甚至得出热功当量为 940 英磅（Joule 后来测出为 772 英尺磅/1F ） 。Davy 在 1899 年发表二块冰磨擦能使水生热而融化的实验，得出“热现象的原因是运
6、动” 。此二实验给热素说以决定性的打击。奠定了热是一种运动，称为热动说。 （其实，Gassendi、F.Bacon、R.Boyle 和 Newton 等都认为热是一种运动） 。Sadi Carno 他: 在提出热机可逆循环的 1824 年持热素观点，故未能发现热力学第一定律和能量定律。2 年后他才改信热动说。（4）热能说：与热动说相通，因为粒子的运动就是表现了热能，但严格说稍有差异。4. 能量守恒定律发现的前提条件：（1）必须从热是粒子的一种运动或能态的思想出发，研究机械功、热能、电能、磁能、化学能、生物能等之间的转化和守恒关系；（2）必须从不同能量形态之间的定量转化关系出发，而不只是各种不同
7、形态的“motion” 、“force”或“krafte”之间的转化守恒，才能被认为发现了能量守恒定律。（3）提出各种形态运动的数量之间、各种力的数量之间转化是不灭的或守恒的说法，只能是关于能量守恒的思辨或定性想法，不能认为发现了能量守恒定律。（4）某个人只进行了各种能态之间的数理上的定量转化计算却未被实验确认，或只作了实验证实却未形成定量的原理或数学关系式，不能认为他发现了能量守恒定律。但是一旦两种论证具备，作为人类对自然规律的认识而言，应该认为发现了能量守恒定律。5. 关于能量守恒定律发现的几个阶段：能量守恒定律的实际发现过程可大致分为六个阶段:机械能守恒定律 热功转化守恒定律热能与电能（
8、磁能）转化守恒定律热能化学能转化守恒定律化学能生物能机械能守恒定律能量守恒定律（1） 机械能守恒：1842 年 R.Mayer 提出“落下力（md）与运动（mv 2）转化守恒” ，1947 年Helmholtz 提出活力守恒定律: 1/2 m(v22v12 ) = mg（h1 2 h22）和力守恒定律：1/2 m（v 22v12 ）= f ds。 1953 年 Rankine 在能量转化的普遍定律文中提出机械能守恒定律：宇宙间物体的势能与实际能（即动能）的总和应为常数， 。它是第一个用能的概念表述机械能的人有人称他为“能学之父” 。1852 年 W.Thomson 发表关于自然界中机械能耗散的
9、普遍趋向一文，也提出了“机械能耗散”问题，并正式论证了“机械能守恒定律” 。从 Galileo 以后无数的科学家都做过这类实验，证明无误。（2）热功转化守恒：从蒸汽机的研制至热力学第一定律发现，科学家和工程师们都在利用工质的热分子运动推动缸筒中的活塞运动做机械功，James Watt 在 1765 年为了提高热利用的效率，发明冷凝器，从 2-3%提高到 5%。S.Carnot 的热机可逆循环和 E.Clapeyron 在 1834 年提出了热功可逆循环图，就是为了研究热功转化的性质，以便将其转换率尽可能地提高。热功转化的实质是求出准确的热功当量值，为此，理论上：通过 Gay-Lussac 定律
10、 P1V1 / T1=P2V2 / T2。 。 对于理想气体，PV/T R, 所以 PV =n RT, PV: 气体做的功， T：绝对温度。此外，还可用 Cp / Cv =1.412, Cp、Cv 分别是定压比热和定容比热，根据气体的理想情况和种类，知道它们的 R 值，从而求出功 PV 与热量的比值，即热功当量。S.Carnot 计算出热功当量应为 370 克 / 卡，R.Mayer 在 1642 年计算为 365 克米 / 卡，1845年修改为 367 克米 / 卡，他估测过纸浆机的机械功和发热量的关系，但未得出结果。准确的热功当量值是由英国业余科学家和啤酒商人 James P. Joule
11、 测出的，他用重物落下带动二磁极间的铁棒旋转而生热，以及用重物压水通过小孔产生的磨擦热量，测算热功当量。在 1843 年宣读的论文论磁电的热效应和热的机械当量值中宣布热功当量分别为 838 和 770 磅英尺/卡。Rumford 在 17 世纪末测算为 940 磅英尺/ 卡。直到 1848 年，Joule 用很多种方法做了大量实验，归纳成五种方案，得出热功当量为 772 磅英尺/卡，等于 424.18 克米 / 卡。1878 年他经过几十年的精确测量得出，热功当量为 772.55 磅英尺/卡，等于 424.71 克米/ 卡 或 4.16 焦耳，目前国际公认的数值为 426.935 克米/卡 或
12、 4.1856 焦耳。热功当量是用精确的实验测量热量转化为机械功的当量值，向科学家们提供了能量转化守恒原理只有在测得准确的当量值的基础上，才能得到世人的确认。这说明热功转化和守恒作为能量守恒原理的特殊情况热力学第一定律，能够成立，他还为能量守恒定律的论证提供了一个可靠的基础。（3）热能与电能的转化守恒：1940 年焦耳在皇家学会议事录上发表论用伏打电产生的热论文中宣布发现了电热转化的焦耳定律：Q= I2 Rt ，热量等于与电流的平方、电阻和时间成正比。（4）1821 和 831 年，Michael Faraday 通过实验发现了电磁回转现象和电磁感应现象，因而发现了电力与机械力之间、电力与磁力
13、之间的转化关系，J.C.Maxwell、W.Thomson 和 Helmholtz都曾给出了定量的数学计算核算式。 。(5 ) 电能与化学能转化守恒：18321833 年间，Michael Faraday 实验发现了电能与化学能的转化，并测定了电化当量。（6）生物能、化学能和机械能的转化守恒：i798 年 Galvani 发现闪电使青蛙腿伸缩现象；Liebig 在 1840 年代曾见实验室研制化肥，使农作物有明显收益；R.Mayer 在爪哇发现人的静脉血比在德国是要鲜红，说明热带温度高出进了血液的氧化，他和 Helmholtz 都举出人体分泌液体将食物化合和分解成营养物，予以消化，最后转化为四
14、肢运动的机械能和热能。R.Mayer、Joule、Rankine 和 W.Thomson 等都通过实验和理论计算，提出了热与机械功、电、磁之间的定量转化关系，并用自己或别人的实验予以证明。但是在那个时代，科学家们只能用实验和观察化学能和生物能之间，以及与其他几种能态之间的定性转化关系，还不可能通过精确的实验得出数据和数学分析，得出定量的数学关系式，甚至连他们的转化当量都未能测定出来。（7）能量转化和守恒定律：能量守恒定律是一个通过自然界各种能态之间的转化观察和实验（部分通过数理计算预实验结合） ，才归纳出的科学定律，严格地说应称为能量守恒原理。上述种种发现和想法都是通过从热素说向热动说转变后才
15、出现的。但是要真正归纳出能量守恒而不是运动守恒，还需要研究者们的观点从热动说上升为朴实的能态和能量概念。首先跨出这一步的是ThomasYoung 在 19 世纪初，但人们认识到它的重大意义还是在 1847 年 Helmholtz 发表力的守恒长篇论文后，此文从理论和算式上列出活（werke）的守恒和机械能（用 krafte 一词）守恒表示式，并对电、磁化学亲和力和生物能等用较详细的分析和说明这些能态之间的转化守恒关系。到 1951 年 Rankine 第一次提出势能、实际能（即动能）概念和机械能守恒公式。接着，W.Thomson 用能量的观点表述热力学第一定律和第二定律，此后 2-4 年间他应
16、用势能和动能概念，从机械能守恒定律的研究者手，将机械能视为各种能态的最终来源和通过它转化为热而耗散。作为当时欧洲最著名的理论物理学家，它与实验学家 Joule 密切合作，从能量的角度对各种能态之间的转化予以审视和处理，最后归纳成综合的和普适的能量守恒定律。小结：能量守恒定律是在 19 世纪 20-50 年代，有不同科学家在不同的国度分别从观察和思想（Grove、Colding、R.Mayer）上，,从理论计算(R.Mayer 、Helmholtz、W.Thonson) 上，从实验（Joule）上，分别作出自己的贡献，先由 Helmholtz 用力功的概念，最后由 W.Thomson 用能量的概念予以综合和概括，而形成的一个经验性的科学定律，严格地说，能量守恒原理比较更贴切些。 附：介绍（1）Mayer 的故事 （2）Joule 的故事二、热力学第一、二定律的发现热力学第一和第二定律是以 Sadi Carn
