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[转载]残酷的颠覆性、原创性科学发现历史——热力学第一定律(能量守恒定律):迈尔、焦耳、赫尔姆霍茨

已有 489 次阅读 2021-1-22 20:29 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

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热力学第一定律(能量守恒定律):迈尔、焦耳、赫尔姆霍茨

18世纪,分析力学家们实际上已经得到并开始运用机械能守恒定律,但是,发现广义的能量守恒原理是19世纪40年代的事情。

最早提出这一原理的是德国医生迈尔。1840年,他曾经作为随船医生去过爪哇,发现那里的病人的静脉血比他预计的要红得多,因此开始思考动物热问题。可能就是在这些思考中,萌发了能量的所有形式可以互相转换的想法。1842年,迈尔写了《关于无机界力(能量)的说明》一文,以比较抽象的推理方法提出了能量守恒与转化原理。他说:“力(能量)是原因,因此,我们可以在有关力(能量)的方面,充分应用因等于果的原则……我们可以说,因是数量上不可毁的和质量上可变换的存在物……所以,力(能量)是不可毁的、可变换的、不可称量的存在物。”在文章的结尾部分,迈尔设计了一个简单的实验,粗略地求出了热功相互转化的当量关系。

迈尔文章的思辨风格使得学界不能接受,第一次投稿时被一家科学杂志退了回来。后来虽然在另一家杂志上刊登了,但没有引起注意。此后,迈尔又写了几篇文章,继续阐述他的能量守恒和转化原理。他的计算和证明更加严格,推广的范围也越来越宽,包括化学、天文学和生命科学。可是,他依然得不到人们的理解。长期的孤军奋战使他精神高度紧张。1848年,迈尔的两个孩子相继夭折,弟弟因参加革命活动而被捕。这使他几乎陷入绝境。1849年,他从三层楼上跳下自杀。人虽然没有死,但两腿严重骨折。1851年,他被送进精神病院接受原始而又残酷的治疗,身心遭受进一步的摧残。但是,迈尔晚年终于看到自己的工作得到了应得的荣誉。1871年他被英国皇家学会授予科普利奖章。

与迈尔几乎同时提出能量守恒原理的英国物理学家焦耳,其遭遇也好不了多少。焦耳生于英国兰开夏尔,是一位富有的啤酒酿造商的儿子,幼年时因身体不好,一心在家里念书。焦耳从小就对实验着迷,而且特别热衷于精密的测量工作。父亲支持他搞科学研究,在家里为他搞了一个实验室。1833年,父亲退休,焦耳不得不经营他家的啤酒厂。但在业余时间,他继续进行关于热量和机械功的测定工作。

1840年,焦耳测量电流通过电阻线所放出的热量,得出了焦耳定律:导体在单位时间内放出的热量与电路的电阻成正比,与电流强度的平方成正比。焦耳定律给出了电能向热能转化的定量关系,为发现普遍的能量守恒和转化原理打下了基础。

1843年,焦耳用手摇发电机发电,将电流通入线圈中,线圈又放在水中以测量所产生的热量。结果发现,热量与电流的平方成正比。这个实验显示了机械做功如何转变为电能,最后转变为热的全过程。在此实验的基础上,焦耳进一步测定了机械功的量,从而第一次给出了热功当量的数值:每千卡热量相当于460千克米的功(将460千克物体提升一米或一千克物体提升460米所做的功)。他认为,热功当量的测定是对热之唯动说的有力支持,也是对能量不灭原理的一个重要表述。

此后,焦耳又以多种方式测定热功当量。1845年,他设计了气体膨胀实验,测得热功当量为每千卡热量相当于436千克米的功。1847年,他设计了在一个绝热容器中用叶轮搅动水的方法,更精确地测定了热功当量。

焦耳的划时代的工作也没有引起应有的注意。也许因为他只是一位业余的实验爱好者,皇家学会拒绝发表他早期的两篇论文。他的关于热功当量测定的论文只得在一家报纸上全文发表。1847年,在英国科学促进会的年会上,焦耳希望报告一下他正在做的测量热功当量的实验,会议主席只允许他做简短的口头描述。报告完后席间有一位青年人站起来,对报告做出高度的评价,并以他雄辩的口才引起了与会者对焦耳报告的注意和兴趣。这位青年人就是当时23岁的威廉·汤姆逊,后来以开尔文勋爵著称的英国著名物理学家。

到了大约1850年,特别以焦耳实验为基础的能量守恒原理开始得到科学界的广泛认同。为争取到这一局面,德国物理学家赫尔姆霍茨做出了重要的贡献。1847年,赫尔姆霍茨发表了《论力的守恒》一文,系统、严密地阐述了能量守恒原理(在德语中,“力”一词向来在“能量”的意义上被使用)。首先,他用数学化形式表述了在孤立系统中机械能的守恒。接着,他把能量的概念推广到热学、电磁学、天文学和生理学领域,提出能量的各种形式相互转化和守恒的思想。他将能量守恒原理与永动机之不可能相提并论,使这一原理拥有更有效的说服力。

关于能量守恒原理的发现,也发生了优先权之争。事实上,从论文发表的时间上讲,迈尔占先;从提供确凿的实验证据上讲,焦耳占先;从全面而精确地阐发这一原理上讲,赫尔姆霍茨占先。除了这三个人外,还有其他人也大致同时独立地提出这一原理,他们是:热力学的奠基者卡诺,虽然他的手稿直到死后46年才发表;英国律师格罗夫,他在1842年的一篇著名的讲演《自然界的各种力之间的相互关系》中,提到一切物理力以及化学力在一定条件下将相互转化;丹麦工程师柯尔丁于1843年向哥本哈根科学院提交了关于热功当量的实验报告。

能量守恒原理揭示了自然科学各个分支之间惊人的普遍联系,是自然科学内在统一性的第一个伟大的证据。由于它主要借助热功当量的测定而确立,所以也常常被称为热力学第一定律。由能量守恒和转化定律,我们可以发现,人类所能运用的能源除核能外均最终来源于太阳。人类身体所消耗的能源或来自肉食或来自植物,但最终都来自植物这种能量合成者,它通过光合作用吸收和储存太阳能。我们所运用的外部能源,包括木柴、煤和石油,说到底都是植物能,因为煤是远古时代的植物化石,石油可能是动物化石,而动物能来自植物能。我们能够运用的外部能源还包括水力、风力,它们也来自太阳能。水力所利用的是江河湖海的水位落差,这些落差之所以能不断保持,也是因为有阳光对海水的不断蒸发。被蒸发的水落到高原地带,维持原有的水位落差。风力靠的是大气压差,这个差也来源于太阳能。“万物生长靠太阳”确实是一句至理名言。

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