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1、(完整word版)能量守恒定律的发现能量守恒定律的发现 导读：能量守恒定律的定型，是经过一个漫长的过程的。本文简述了从活力的提出、活力死力的论战、热量和温度概念的区分、到能量概念的形成，最后简述了迈尔、焦耳和亥姆霍兹对能量守恒定律的最终表述和确立的过程。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事件。尽管如此，它的发现仍然是曲折艰苦的和激动人心的。了解能量守恒定律的发现过程，对于理解自然科学发展中理论的积累和形成是有益的。本文简要叙述能量守恒定律的发现过程。 1。 能量守恒定律发现的准备能量守恒定律是联系机械能和热能的定律
2、。不言而喻，在它发现之前人们必须对机械能和热能有较深入的研究。我们现在就这两方面来叙述。活力与死力的论战1644年笛卡尔在他所著的哲学原理中讨论碰撞问题时引进了动量的概念，用以度量运动。1687年牛顿在他的自然哲学的数学原理中把动量的改变来度量力.与此不同的是莱布尼兹在1686年的一篇论文中抨击笛卡尔，主张用质量乘速度的平方来度量运动,莱布尼兹称之为活力.把牛顿由动量所度量的力也称为死力。莱布尼兹的主张正好和1669年惠更斯关于碰撞问题研究的结论一致，该结论说“两个物体相互碰撞时，它们的质量与速度平方乘积之和在碰撞前后保持不变。”莱布尼兹从莱布尼兹挑起争论起，形成了以笛卡尔和莱布尼兹两大派的论
3、争。这场论战延续了近半个世纪,许多学者都参加了论战，并且各有实验佐证。一直到1743年法国学者达朗贝尔在他的论动力学中说：“对于量度一个力来说，用它给予一个受它作用而通过一定距离的物体的活力,或者用它给予受它作用一定时间的物体的动量同样都是合理的.”在这里，达朗贝尔揭示了活力是按作用距离力的量度,而动量是按作用时间力的量度.这场争论终于尘埃落定了.活力才作为一个正式的力学名词为力学家们普遍接受。活力虽然为力学家接受了,但是它与力的关系并没有弄清楚。一直到1807年英国学者托马斯杨引进了能量的概念，1831年法国学者科里奥利又引进了力做功的概念，并且在活力前加了1/2系数称为动能，通过积分给出了
4、功与动能的联系,即这个式子表示力做功转化为物体的动能.也就是说自然界的机械能是守恒的。 温度计的发明与潜热的发现关于热的精确理论应当从制造温度计开始.从17世纪开始,在意大利有伽利略等人开始制做温度计.但是由于采用的温标比较不方便,所以后人使用的很少。比较早的实用温标是德国物理学家华伦海从1714年开始使用水银做温度计，并且不断改进,直到1717年大致确定了现在所称的华氏温标.直到华伦海去世后，科学家才正式确定华氏温标为：以水的沸点为212度，把32度定为水的冰点.所以这样规定，是要尽量使通常的温度避免取负值。摄耳修斯像瑞典天文学家摄耳修斯于1742年到1743年发明了摄氏温标,以标准状态下水
5、的结冰温度为零度水的沸点为100度.摄氏温标在1948年被国际度量衡会议定为国际标准。温度计的发明给热学的精确化准备了必要的条件，人们可以用它来测量各种不同条件下物质的温度变化。最早人们并没有把温度和热量区分开来，认为温度就是热量。18世纪50年代，英国科学家布莱克把32F的冰块与相等重量的172F的水相混合，结果发现,平均温度不是102F，而是32F,其效果只是冰块全部融化为水。布莱克由此作出结论:冰在熔解时，需要吸收大量的热量,这些热量使冰变成水,但并不能引起温度的升高。他还猜想到，冰熔解时吸收的热量是一定的.为了弄清楚这个问题，他把实验反过来作,即观测水在凝固时是否也会放出一定的热量。他
6、把摄氏零下4的过冷却的水不停地振荡，使一部分过冷却水凝固为冰，结果温度上升了；当过冷却水完全凝固时， 温度上升到摄氏零度,表明水在凝固时确实放出了热量.进一步的大量实验使布莱克发现，各种物质在发生物态变化(熔解、凝固、汽化、凝结）时，都有这种效应。他曾经用玻璃罩将盛有酒精的器皿罩住，把玻璃罩内的空气抽走，器皿中的酒精就迅速蒸发，结果在玻璃罩外壁上凝结了许多小水珠。这说明液体（酒精）蒸发 时要吸收大量的热，因而使玻璃罩冷却了，外壁上才凝结了水珠。布莱克用一个很简单直观的办法来测定水汽化时所需要的热量。他用一个稳定的火来烧一千克零摄氏度的水，使水沸腾，然后继续烧火，直至水完全蒸发掉。他测出使沸腾的
7、水完全蒸发所烧的时间，为使水由0升温到沸腾所烧的时间的4.5倍，表明所供热量之比为100450。这个实验当然是很粗糙的，所测的数值也有很大的误差；现在的测定表明这个比值为100539。布莱克还用类似的方法测出，熔解一定量的冰所需要的热量，和把相同重量的水加热140F所需要的热量相等（相当于加热77.8所需要的热量）,这个数值也偏小了一点，正确的数值为143F（相当于80)，但在当时,这种测量结果也是很难得的。布莱克基于这些实验事实于1760年开始认识到热量与温度是两个不同的概念，进而在1761年他引入了“潜热概念。其后，法国科学家拉瓦锡与拉普拉斯合作在1780年提出了正确测量物质热容量的方法.
8、由于热的精确度量的成熟，1822年法国学者傅里叶出版了他多年关于热学研究的总结著作热的解析理论。热力机械的发明从远古开始人类就认识到由机械运动可以产生热。无论东方和西方,古代都有钻木取火纪录，这就是把机械运动转变为热的早期实践。不过几千年中一直没有人想到机械能和热能的定量转换问题。直到美国人朗福德1798年在慕尼黑注意到,当用镗具钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料象火一样发烫,必须不断用水来冷却。朗福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热；如果把这些热都传给原金属,则足可以把它熔化。朗福德的结论是,镗具的机械运动转化为热,因此热则是一种运动形式，而不是以前人们认为的是一种物质。朗福德还试图
9、计算一定量的机械能所产生的热量.这样朗福德首次给出一个我们现在称为热功当量的数值.不过他的数值太高。半个世纪以后，焦耳提供了正确值。希罗发明的汽转球提到热能转变为机械能，最早应当提到的是亚力山大的希罗发明的蒸汽机。这项发明是一个空心球体上面连上两段弯管,当球内的水沸腾时,蒸汽通过管子喷出,这个球就迅速旋转，这是最早的蒸汽机。不过那时只是用于祭神与玩耍而没有实际应用.1712年，英国人托马斯纽可曼发明了大气压蒸汽机。这种机器具有汽缸与活塞， 在工作时, 先把蒸汽导入汽缸， 这时汽缸停止供汽而汽缸内进水, 蒸汽便遇冷凝结为水使汽缸内气压迅速降低，就可以使水吸上来。之后再把蒸汽导入汽缸，进行下一个循
10、环.最初的这种蒸汽机大约每分钟往返十次，而且可以自动工作，使矿井的抽水工作大为便利，所以不仅英国人使用，在德国与法国也在使用。瓦特蒸汽机瓦特在18世纪后半叶对蒸汽机进行了改进。其中最重要的改进有两项，一项是发明了冷凝器大大提高了蒸汽机的效率，另一项是发明了离心调速器使蒸汽机速度可自由控制.在瓦特的改进之后蒸汽机才真正在工业上被普遍使用. 永动机的不可能据说永动机的概念发端于印度，在公元12世纪传入欧洲。据记载欧洲最早、最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来的.如图所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。亨内考的永动机随
11、后，研究和发明永动机的人不断涌现.尽管有不少学者研究指出永动机是不可能的,研究永动机的人还是前赴后继。文艺复兴时期意大利伟大学者达芬奇曾经用不少精力研究永动机。可贵的是他最后得到了永动机不可能的结论。达芬奇设计的永动机与达芬奇同时代还有一位名叫卡丹的意大利人，他以最早给出求解三次方程的根而出名，也认为永动机是不可能的.关于永动机的不可能，还应当提到荷兰物理学家司提芬。16世纪之前，在静力学中，人们只会处理求平行力系的合力和它们的平衡问题，以及把一个力分解为平行力系的问题,还不会处理汇交力系的平衡问题。为了解决这类问题，人们把他归结于解决三个汇交力的平衡问题。通过巧妙的论证解决了这个问题.假如你
12、把一根均匀的链条ABC放置在一个非对称的直立(无摩檫）的楔形体上，如图所示。这时链条上受两个接触面上的反力和自身的重力。恰好是三个汇交力。链条会不会向这边或那边滑动？如果会，往哪一边？司提芬想象把楔形体停在空中，在底部由CDA把链条连起来使之闭合，如图，最后解决了 这个问题。在底部悬挂的链条自己是平衡的，把悬挂的部分和上部的链条连起来，斯提芬说：“假如你认为楔形体上的链条不平衡，我就可以造出永动机。”事实上如果链条会滑动，那么你就必然会推出封闭的链条会永远滑下去；这显然是荒谬的,回答必然是链条不动。并且他由此得到了汇交三力平衡的条件.他觉得这一证明很妙,就把图2放在他的著作数学备忘录（Hypo
13、mnemata Mathematica）的扉页上，他的同辈又把它刻在他的墓碑上以表达敬仰之意。汇交力系的平衡问题解决，也标志着静力学的成熟。随着对永动机不可能的认识，一些国家对永动机给出了限制.如早在1775年法国科学院就決定不再刊载有关永动机的通訊。1917年美国专利局决定不再受理永动机专利的申请。据英国专利局的助理评审员F。 Charlesworth称：英国的第一个永动机专利是1635年，在1617年到1903年之间英国专利局就收到约600项永动机的专利申请.这还不包含利用重力原理之外的永动机专利申请。而美国在1917年之后还是有不少一时看不出奥妙的永动机方案被专利局接受。 2。 迈尔的发
14、现与遭遇在前面这些科学研究的基础上，机械能的度量和守恒的提出、热能的度量、机械能和热能的相互转化、永动机的大量实践宣布为不可能.能量守恒定律的发现条件是逐渐成熟了。于是这项发现最早就由迈尔来开头。迈尔是德国的物理学家。大学时学医，但他并不喜欢当医生，他当过随船医生，工作比较清闲。在西方大约从公元4世纪开始有一种大量放血的治疗方法。一次大约要放掉12到13盎司的血，有的则一直放血放到病人感觉头晕为止。这种疗法的根据是，在古代的西方有一种所谓“液体病理的理论，说人体含有多种液体,如血、痰、胆汁等.这些液体的过多或不足都会致病.放血的作用就是排除多余液体一种措施。中世纪西方的有钱人,特别是那些贵族上
15、层人物、绅士们，还要在一年中定期放血，一般要在春秋各放血一次。放血另一种作用是使女人看上去更好看，这和西方当时的审美观有关，使她们既显得白皙，又不会因为害羞而满脸通红。所以西方的贵妇人也经常放血。迈尔作为一名医生,不用说也是经常使用放血疗法给人治病的。大约是在1840年去爪哇的航行中，由于考虑动物体温问题而对物理学发生了兴趣.在泗水,当他为一些患病的水手放血时，他发现静脉的血比较鲜亮，起初他还误以为是切错了动脉.于是他思考,血液比较红是在热带身体不像在温带那样需要更多的氧来燃烧以保持体温。这一现象促使迈尔思考身体内食物转化为热量以及身体能够做功这个事实.从而得出结论,热和功是能够相互转化的。他
16、又注意到当时许多人进行永动机的实验都以失败而告终，从童年时期就给他留下了深刻的影响。这些使他猜想“机械功根本不可能产生于无”.在1841年9月12日他给友人的信中最早提及了热功当量。他说：“对于我的能用数学的可靠性来阐述的理论来说,极为重要的仍然是解决以下这个问题：某一重物（例如100磅)必须举到地面上多高的地方,才能使得与这一高度相应的运动量和将该重物放下来所获得的运动量正好等于将一磅0的冰转化为0的水所必要的热量。1842年3月,迈尔写了一篇短文关于无机界的力的看法寄给了药剂学和化学编年史的主编、德国化学家李比希,李比希立即答应使用这篇文章。机械的热功当量在这篇文章中得到第一次说明。文中说：“人们发现，一重物从大约365米高处下落所做的功,相当于把同重量的水从0升到1所需的热量。”他的文章发表于1842年5月.迈尔是最早进行热功当量实验的学者，在1842年,他用
