能量守恒與轉化定律的歷史演變

能量守恒與轉化定律的歷史演變

恩格斯稱之為“偉大的體育基本規(guī)律”的能力、守恒性和轉化規(guī)律，是19世紀科學理論的重要基礎。同任何一個偉大科學發(fā)現(xiàn)一樣,能量守恒和轉化定律也經(jīng)歷了一番曲折和斗爭的過程,而后才為人們承認和接受。不過,像能量守恒和轉化定律孕育時間之長久、發(fā)現(xiàn)者們蒙受精神壓力之巨大,卻是科學發(fā)展史上極為典型的個例之一。一、機械能堅守的思想能量守恒和轉化定律艱苦卓絕的孕育史,是人類對自然界科學圖景認識史上一個非常富有意義的個例?；?至少在四五十萬年前就已被我們的祖先利用了。從使用和“養(yǎng)活”天然火,到學會人工磨擦取火,這是原始人技術發(fā)明的一件大事。磨擦取火,這是把機械運動(動能)轉化為熱的過程。盡管原始人尚未認識到這一理論問題,但是他們的偉大實踐過程恰恰直接孕育著能量轉化的思想。機械運動轉化為熱,這是自然過程的一個方面;另一方面,熱也轉化為機械運動,這才是自然過程的辯證法。然而,歷史有它自己的步伐,不管其進程歸根到底是多么辯證的,辯證法還是要等待歷史很久。在磨擦取火之后的一段漫長的歲月里,人類學會了利用畜力、風力和水力來運轉機械,驅動車船,但是這些只不過是一個將機械能中的勢能與動能相互轉化的過程而已,尚未沖破機械運動的認識界限。只是到了發(fā)明蒸汽機之后,才真正完成了熱與機械運動相互轉化的辯證過程。正如恩格斯在19世紀70年代所指出的:“到目前為止的全部歷史,可以稱為從實驗發(fā)現(xiàn)機械運動轉化為熱到發(fā)現(xiàn)熱轉化為機械運動這么一段時間的歷史”。在蒸汽機發(fā)明之前,盡管人類的認識還只停留在機械運動范圍內(nèi),尚未接觸到機械運動以外的各種運動表式的研究,并不了解它們之間相互轉化的問題,可是,以機械運動為研究對象的力學,就已經(jīng)有了能量守恒這一觀念。近代力學奠基人伽利略在進行落體運動的實驗時,發(fā)現(xiàn)物體在下落過程中所達到的速度能夠使它跳回到原來的高度,但是不會更高。這就已經(jīng)接近機械能守恒這一觀念。然而,當時并沒有提出“能量”、“機械能”這類概念。伽利略卻用“動量”這一概念來表述,把它定義為速度與重量的乘積,以此作為物體運動的量度。后來,惠更斯和牛頓在接受伽利略“動量”這一概念時,把它定義為速度與質量的乘積。萊布尼茲則以“活力”來作為運動的量度,把“活力”定義為質量和速度的平方的乘積,并認為宇宙間的“活力”的總和是守恒的。顯然,活力守恒的表述方式也接近了機械能守恒的思想。1807年,英國物理學家托馬斯-揚創(chuàng)造了“能”這個概念來表示活力。后來的能量守恒和轉化定律就是建立在這個“能”的科學概念基礎上的。不過,托馬斯·揚當時并沒有把機械能守恒的思想推廣成為能量守恒和轉化的普遍規(guī)律,因為當時人們對于機械運動以外的各種運動形式之間的轉化問題。人們的認識水平總是與一定的歷史狀況相一致的。隨著人類實踐活動的深入,特別是由于科學實驗的蓬勃發(fā)展,在19世紀的前三十多年中,人們把認識領域從機械運動擴展到電磁運動、熱和化學運動方面來,從而有了一系列關于電能與機械能、熱能、化學能相互轉化的實驗結果,這就為能量守恒和轉化定律的發(fā)現(xiàn)提供了充分的根據(jù)。18世紀末,意大利人伏打發(fā)明了電池,實現(xiàn)了化學能向電能的轉化。接著,人們就利用伏打電流,進行水和硫酸銅溶液的電解,發(fā)現(xiàn)了電的化學效應,實現(xiàn)了電能向化學能的轉化。19世紀20年代初,人們發(fā)現(xiàn)了溫差電流和電流通過導線生熱的現(xiàn)象,實現(xiàn)了電能和熱能的相互轉化。1820年,丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電的磁效應,實現(xiàn)了電能向機械能的轉化。1831年,英國物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)了感應電流,實現(xiàn)了機械能向電能的轉化。所有這一切都為能量守恒和轉化定律的發(fā)現(xiàn)提供了不可缺少的實驗基礎。哲學史上關于運動守恒原理的觀念,對于能量守恒和轉化定律的發(fā)現(xiàn)起了巨大的啟示和促進作用。17世紀,唯量論哲學家笛卡爾通過自己的力學研究,提出了“宇宙中運動的量是永遠不變的”這一哲學命題,就清晰地闡明了運動既不能創(chuàng)造也不能消滅的思想。這是在自然科學領域里發(fā)現(xiàn)能量守恒和轉化定律整整200年前就已經(jīng)明確得出了的哲學結論。失敗,這是人類認識史上不可避免的環(huán)節(jié),具有不可貶斥的地位。失敗乃成功之母。千百種形形色色永動機的失敗,顯示了自然力和物質運動不可能無中生有地創(chuàng)造出來,因而從反面為能量守恒和轉化定律的發(fā)現(xiàn)作了必要的思想準備。1775年,法國科學院作出決議,認為制造永動機是不可能的,聲明不再接受任何有關永動機的設計方案。盡管19世紀30年代以前,人類漫長的實踐史為能量守恒和轉化定律的發(fā)現(xiàn)作了各方面的準備,可是能量守恒和轉化定律仍沒有正式提出來,它還需要擺脫各種束縛,方能問世。二、能量守恒和轉化定律的發(fā)現(xiàn),是一個歷史的概念。一個熱能量守恒和轉化定律的誕生,在有了其他種種準備之后,還必須清除一個理論障礙———熱素說,并從現(xiàn)實社會實踐提出的重要課題中汲取力量。熱素說是18世紀廣為流行解釋熱的本質的一種錯誤理論。它認為,熱是一種沒有重量、可以在物體中自由流動的物質。熱素說既然把熱看作是一種物質,那就不可能存在著熱和機械運動的轉化。磨擦所以生熱,只是由于磨擦把熱素逼出來,使磨擦后的物體的比熱比磨擦前小,所以溫度升高,而熱素的量并沒有增加。給熱素說以沉重打擊的是美國物理學家倫福德(Rumford,1753~1714)和英國化學家戴維(Davy,1778~1829)的工作。1789年,倫福德在慕尼黑兵工廠監(jiān)造大炮時,發(fā)現(xiàn)鉆炮膛所有的鉆頭越鈍,鉆削的碎屑越少,所產(chǎn)生的熱量卻越多。這與熱素說認為碎屑越少,金屬釋放的熱素就越少的說法恰好相反。為了證明鉆削時產(chǎn)生的熱不是來源于熱素的解釋,倫福德把炮筒放在水槽里,用一支鈍得幾乎不能削出碎屑的鉆頭鉆孔。幾匹馬拉著鉆具鉆了約兩個半小時,槽內(nèi)約18磅水竟然沸騰起來。沒有任何東西供給熱素,竟然源源不斷地產(chǎn)生熱。這些熱是從哪里來的呢?實驗說明熱只能來源于鉆頭的運動,1799年,戴維又做了冰磨擦實驗。他用兩塊冰在真空中磨擦,并使整個儀器都保持在0℃。幾分鐘后,冰融化成水,但冰吸收的熱是從哪里來的呢?唯一的可能是由機械運動轉化而來。倫福德和戴維的實驗,打破了熱素說的缺口,從而為能量守恒和轉化定律的發(fā)現(xiàn)掃除了思想障礙。能量守恒和轉化定律的發(fā)現(xiàn),直接導源于現(xiàn)實社會實踐的需要。19世紀30年代前后,蒸汽機生產(chǎn)的實踐提出了如何提高蒸汽機的效率這一重大課題,從而為能時守恒和轉化定律的發(fā)現(xiàn)提供了最堅實的實踐基礎。恩格斯指出:“社會一旦有技術上的需要,則這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進”。于是,在19世紀30年代和40年代的十多年里,幾乎同時在五個不同的國家里由六七個不同的行業(yè)的十幾個專家和非專家,在幾個不同的科學領域中以不同的形式各自獨立地提出了能時守恒和轉化定律,從而顯示出這個定律是一個具有根本重要性的普遍的自然規(guī)律。第一個在這方面作出重大貢獻的,是法國青年軍官和工程師薩迪·卡諾(S.Carnot,1796~1832)。他十分熟悉蒸汽機的設計,又有較好的數(shù)理訓練,于1824年發(fā)表了《關于火的動力以及產(chǎn)生這種動力的機器的研究》一文,分析蒸汽機中決定熱產(chǎn)生機能的各種因素,得出結論:熱機必須工作于兩個熱源之間,熱從高溫熱源轉移到低溫熱源時才能做功,熱機做功的數(shù)值與工作物質無關,僅僅決定于兩個熱源之間的溫度差?？ㄖZ的這一原理以后就成為熱力學第二定律的基礎。但是,由于他相信熱素說,因而看不到熱能和機械能之間的轉化以及兩者總和的守恒關系,傳統(tǒng)觀念擋住了他作出科學發(fā)現(xiàn)的道路。然而,當他放棄了熱素說之后,于1830年,他在筆記本中便明確地提出了熱的分子運動論和能量守恒與轉化定律,得出熱的機械當量為370千克米/千卡(今天準確數(shù)值為427千克米/千卡)。可惜,卡諾夭亡后,他的遺稿,因其弟無知而被長期棄置。直至1878年才公布于世。這時,人們早已公認能量在轉化中守恒這一定律。卡諾的發(fā)現(xiàn)之所以對歷史的進程沒有發(fā)現(xiàn)什么直接影響。顯然由于當時人們科學認識水平的局限性被埋沒了。然而,卡諾的發(fā)現(xiàn)本身畢竟表明,能量守恒和轉化定律發(fā)現(xiàn)的客觀時機已經(jīng)成熟了。繼卡諾之后,德國生理學家莫爾在1837年發(fā)表了《論熱的本質》一文,表述了類似的思想。1839年,法國工業(yè)革命家和鐵路建設的先驅者M·塞貫,在他的論述鐵路工程的重要著作———《論鐵路的影響》一書中,計算出了熱的機械當量。1840年,瑞士化學家赫斯提出熱化學定律,指出化學反應中所釋放的熱量是一個同中間過程無關的恒量?？上?這些人的著作,有的長期得不到發(fā)表的機會,有的即使發(fā)表了,卻沒有引起人們的注意。這些科學發(fā)現(xiàn),“蒙難”的本身,既說明人們?nèi)狈ψR別新發(fā)現(xiàn)重大意義的能力,又說明社會實踐的需要誠如化學反應中催化劑那樣,加快已孕育了漫長歷史時期的有關能量守恒和轉化思想的正式問世。山雨欲來風滿樓。能量守恒和轉化定律發(fā)現(xiàn)的歷史條件成熟了。先驅者們的工作雖然沒有正式構成能量守恒和轉化定律的內(nèi)容,然而,他們的潛在發(fā)現(xiàn)在人類的科學認識史上具有不可忽視的意義。先驅者們的努力終于使孕育成熟的能量守恒和轉化定律在1842年正式誕生了。這一年,人們同時從不同的途徑來了一個大突破。三、焦耳的實驗研究恩格斯把1842年稱為自然科學發(fā)展史上“劃時代的一年?！边@一年,有很多研究工作都同時證明———機械能、熱能、光能、磁能和化學能等能夠在一定條件下相互轉化,且不發(fā)生任何消耗,并且確定了熱的機械當量。正是這些工作標志著能量守恒和轉化定律正式問世。與此同時,發(fā)現(xiàn)者們卻蒙受了巨大的精神創(chuàng)傷。盡管如此,他們?nèi)匀恍貞烟故?一往無前,充分表現(xiàn)了科學家們探索真理的崇高獻身精神。德國26歲的青年醫(yī)生邁爾(J.R.Mayer,1814~1878)于1840年隨船從荷蘭駛往東印度。當遠洋輪航至熱帶海域時,船醫(yī)邁爾發(fā)現(xiàn)海員患病者靜脈血液比在歐洲時紅亮。邁爾受拉瓦錫的氧化燃燒理論的啟示,認為這是由于血液含氧較多的緣故。因為在熱帶高溫條件下,人的機體只需要從食物中吸收較少的熱量就足夠了,所以人體中食物的氧化過程減弱了,靜脈血里留下的氧就比較多。由此,邁爾聯(lián)想到人體內(nèi)的食物所含的化學能就像機械能一樣,可以轉化為熱能?；貒?邁爾繼續(xù)進行研究。他進一步發(fā)展了倫福德的思想,在一家紙廠設計了一個實驗,大鍋里的紙漿用機械攪拌,靠繞著圈子的馬作為動力。他測出紙漿溫度的升高,就可得到馬做了一定量的機械功所產(chǎn)生的熱量的數(shù)據(jù)。邁爾還從空氣的定壓比熱Cp和定容比熱Cu的關系計算出一卡熱相當于365克,即3.58焦耳(現(xiàn)在精確有數(shù)值是4.184焦耳)。1842年,邁爾寫成了他的第一篇關于能量守恒和轉化定律論文:《論無機自然界的力》。論文發(fā)往當時德國主要物理學年鑒雜志,結果被主編波根多夫拒絕發(fā)表而退了回來。雖然化學家李比希主編的化學年鑒雜志1842年5月號上發(fā)表了邁爾的論文,但并未引起人們的注意。而1845年邁爾的第二篇論文,則是以自己的經(jīng)費才得以發(fā)表的。在科學的征途上,迎接科學家的往往并不是什么鳥語花香,而可能是苛薄的冷嘲熱諷。作為第一個發(fā)表了能量守恒和轉化定律的邁爾,一次在海德爾堡遇見了約利,約利嘲諷邁爾說,如果你的理論是正確的話,水能夠被晃動而加熱。倉促發(fā)難,邁爾連一句話也沒回答便走了。幾周之后,邁爾回到了約利那里堅定地回答說,正是那樣,正是那樣!學術界偏見的打擊使邁爾的精神受到嚴重刺激。1849年5月28日,邁爾從二層樓窗口跳下自殺未遂。大致恢復健康以后,他又寫了一篇關于熱的機械當量的論文。1851年,他被關進精神病院,受到殘酷折磨。1853年恢復自由,可是精神卻從此再未恢復正常,以致在痛苦中度過了二十多年的余生。到了1858年,只有少數(shù)幾個人肯定邁爾的能量守恒和轉化定律。其中丁鐸爾給予了公正的歷史評價,并于1862年在英國皇家學會上作了關于邁爾工作的講演,還翻譯了邁爾的幾篇論文。物理學家威廉·湯姆遜等人卻對邁爾的工作評價很低,并且責怪丁鐸爾高估了德國的邁爾而低估了英國的焦耳。焦耳(J.P.Joule,1818~1889)是英國的業(yè)余物理學家,是最先用科學實驗確立能量守恒和轉化定律的人。和偏愛理論思維的德國人不同,焦耳具有英國人重視實驗的傳統(tǒng)。他先后用了四十多年時間,進行了大量實驗。1840年,22歲的焦耳首先測定了電流的熱效應,發(fā)現(xiàn)一定時間內(nèi)電流通過導線所產(chǎn)生的熱量,同導線的電阻和電流強度平方乘積成正比。這就是著名的焦耳定律。焦耳根據(jù)這一實驗設想電能因阻力而轉化為熱能了。這些思想集中體現(xiàn)在他的第一篇論文:《論伏打電池產(chǎn)生的熱》。1843年,焦耳又做了一個實驗,他把盛有水的容器放進磁場中,然后讓一個線圈在水中旋轉,測量運動線圈中感應電流產(chǎn)生的熱和維持運動所消耗的能量。實驗說明消耗的能和產(chǎn)生的熱能與電流的平方成正比。因此,產(chǎn)生的熱和用來產(chǎn)生的機械動力之間存在恒定的比例。焦耳把這一實驗結果寫在他的第二篇論文:《論電磁的熱量效應和熱的機械值》。焦耳的研究并沒有立刻引起人們的注意。英國皇家學會拒絕發(fā)表他的兩篇論文。因為在皇家學會看來,作為釀酒商的年輕焦耳的發(fā)現(xiàn)不可能有多大學術價值。在朋友們勸告下,焦耳申請自然哲學教授的候選人,但因他的容貌缺陷而未獲準。焦耳繼續(xù)當一個釀酒商,并繼續(xù)他的科學研究。1847年4月,焦耳在曼徹斯特作了一次通俗的學術講演,介紹了他測定熱的機械當量的新實驗,即用銅制翼輪來攪動水,使水溫升高,而轉動翼輪的動力用砝碼下落來提供。地方報紙起初不予理睬,有一家報紙甚至拒絕報導這件事。經(jīng)過很長時間的爭論,《曼徹斯特信使報》才全文發(fā)表了焦耳的演說。在1847年6月,這個論題又提呈到牛津會議上,大會主席建議只由焦耳作簡要報告,而無須進行討論。當會議絲毫不考慮焦耳新思想而要立即轉入其他議程的時候,年輕的威廉·湯姆遜站起來發(fā)言,從而引起了人們對這個理論的新興趣。結果,焦耳的能量守恒和轉化定律的思想引起了很大的轟動,焦耳本人才成為科學界注意的人物。1849年,焦耳在他的《熱的機械當量》論文中宣布了他的新實驗結果:要產(chǎn)生能使1磅水(在真空中稱量,溫度在55°F~60°F之間)提高1°F的熱量,需要花費相當于772磅重物下降1英尺所作的機械功。此值相當于4.157焦耳/卡,很接近現(xiàn)在的4.184的數(shù)值。為了系統(tǒng)地測量各種能量形式轉化的當量關系,以最精確的實驗來證實能時守恒的論斷,焦耳從40年代開始,做了四百多次實驗,直到1878年獲得最后的數(shù)據(jù)。這時,一個二十多歲的年輕小伙子,已變成六十多歲的白發(fā)老頭子了。1847年,當焦耳在英國報告他的能量守恒和轉化定律時,26歲的德國物理學家赫爾姆霍茨(Helmholtz,1821~1894)在柏林物理學會上宣讀了他從研究動物熱的途徑中發(fā)現(xiàn)了能量守恒和轉化定律的論文:《活力的守恒》。這篇論文被權威們看成是異想天開的思辨,波根多夫主編的物理學年鑒雜志同樣拒絕發(fā)表它。赫爾姆霍茨在這種情況下,不得不掏腰包自費印刷,1847年以小冊子的形式散發(fā),仍然很不受重視。1853年,它受到物理學家克勞胥斯的強烈抨擊。后來,杜林等還對赫爾姆霍茨進行了人身攻擊,辱罵他的發(fā)現(xiàn)是不誠實的,是從邁爾那里剽竊來的。其實,邁爾、焦耳和赫爾姆霍茨都各自獨立地發(fā)現(xiàn)了能量守恒和轉化定律。然而后來,焦耳和赫爾姆霍茨卻都愉快地承認了邁爾的優(yōu)先權。幾乎與邁爾、焦耳和赫爾姆霍茨的發(fā)現(xiàn)同時,英國業(yè)余科學家、律師格羅夫從對電的研究,也發(fā)現(xiàn)了能量守恒和轉化定律;丹麥物理學家、工程師柯爾丁通過磨擦實驗,測定了熱功當量。1853年,威廉·湯姆遜(W.Thmson,1824~1907)對能量守恒和轉化的思想作了精確的表述:當一個物質系統(tǒng)從某個給定的狀態(tài),無論以任何方式過渡到一個固定的零點時,它在系統(tǒng)外所產(chǎn)生的用機械功來量度的各種作用的總和,就是該系統(tǒng)在這一定狀態(tài)所具有的能量。能量就是表征物質系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)。恩格斯從辯證唯物主義的高度對能量守恒和轉化定律加以概括和總結,指出:“運動的不滅不能僅僅從數(shù)量上去把握,而且還必須從質量上去理解”。所謂量的方面,指的是物質的運動既不能創(chuàng)造,也不能消滅,只能轉化,并且在轉化中有嚴格的當量關系;所謂質的方面,指的是物質運動形式是多種多樣的,這些運動形式的相互轉化的能力是永遠不會喪失的,而這種轉化的條件是物質運動本身所具有的,這樣,能量守恒和轉化定律便成了一條普遍規(guī)律,正如恩格斯所指出:“任何運動形式都證明自己能夠而且不得不轉變?yōu)槠渌魏芜\動形式?！钡搅诉@種形式,規(guī)律便獲得了自己的最后的表達。由于有了新的發(fā)現(xiàn),我們可以給它提供新的證據(jù),提供新的更豐富的內(nèi)容。但是,對于如此表述的規(guī)律本身,我們是不能再增加什么了。在普遍性方面———其中形式和內(nèi)容都同樣普遍———這個規(guī)律是不可能再擴大了:它是絕對的自然規(guī)律。四、能量守恒和轉化定律是科學的本質屬性,是對科學成果的應用大凡一個科學發(fā)現(xiàn),都經(jīng)歷潛在的孕育階段和成熟的面世階段。能量守恒和轉化定律也不例外。能量守恒和轉化定律從孕育到面世,經(jīng)歷了一個相當漫長的時期。伴隨著人類最初磨擦取火———蒸汽機的發(fā)明———各種運動形式之間的轉化,人類在邏輯認識上也從“磨擦是熱的一個源泉”———“一切機械運動都能借磨擦轉化為熱”———“在每一情況的特定條件下,任何一種運動形式都能夠而且不得不直接或間接地轉變?yōu)槠渌魏芜\動形式”。經(jīng)過這三種個別性、特殊性和普遍性的判斷之后,能量守恒和轉化定律才得以最終呈現(xiàn)在世人面前?？茖W就是探索未知?？茖W探索活動就是潛科學活動。從認識論上講,它要從現(xiàn)象到本質,從一級本質到二級本質,再到更深層次的本質。因此,潛科學活動是遵循辯證唯物論的認識路線的。同時,潛科學活動又是一種社會現(xiàn)象,受到各種因素