能量转化和守恒定律的建立

能量转换和守恒定律是物理学中具有普遍意义的定律，是反映物质运动及其转换的基本自然定律。它的建立也是生产技术、哲学和自然科学长期发展的结果。

一、历史的序曲

从18世纪末到19世纪上半叶，自然科学的一系列重大发现广泛揭示了各种自然现象之间的普遍联系和转换。例如，1800年“伏打堆”的发明和随后的电解过程揭示了电和化学运动之间的相互转化。1821年发现的“热电”现象和1834年发现的其逆效应揭示了热和电之间的相互转化。奥斯特1820年的发现和法拉第1831年的发现揭示了电和磁之间的相互转化。等等。这些重要现象的发现为能量转换和守恒定律的建立奠定了坚实的事实基础。

自然科学中的这些发现也反映在哲学中。德国哲学家黑格尔提出了各种自然现象之间联系和转化的思想。谢林进一步断言，磁、电、化学甚至有机现象将编织成一个综合系统。这些观点为发现能量转换和守恒定律提供了有利的哲学环境。

简而言之，到了19世纪40年代左右，欧洲科学界普遍包含了一种意识形态氛围，从一个相互联系的角度观察自然现象。正是在这种情况下，十多位以西欧为中心、从事七八种职业的科学家，通过不同的渠道独立地发现了能量守恒原理。

第二，医生的视野——梅耶尔的工作

罗伯特·迈尔是德国的一名年轻医生。1840年，迈尔是一艘从荷兰驶往东印度的船上的医生。当船接近爪哇时，他发现生病船员的静脉血比欧洲的更红。受拉瓦锡燃烧理论的启发，他认为在热带高温下，人体只需要从食物中吸收较少的热量，这削弱了食物在人体内的氧化过程，并在静脉血中留下更多的氧气。这一现象促使梅耶尔思考各种自然力之间的相互转化。

在航行于1841年结束后，经过一年多的努力，迈尔将他的发现写在了一篇名为《无机圈的力量》的论文中梅耶尔从他的“万物生成，万物不变，万物不变”和“理性等于结果”的哲学思想中得出“力是不朽的、可变形的、无重量的物体”的结论。当时，还没有“能量”的专业术语。人们经常使用各种“力量”来表达现在提到的各种能量。梅耶尔文章中的“力”指的是“能量”。迈尔通过“下落力”(重力势能)、“移动力”(动能)和热量的转化，具体地展示了力(能量)的转化和守恒。在文章的最后，梅耶尔提出了建立不同力之间的数值等效关系的必要性，并根据当时气体比热的测量数据计算了热的力学等效。

1854年，梅耶尔在《论有机运动和新陈代谢》一书中，在肯定力的变换和守恒定律是宇宙的普遍规律的前提下，考察了“力”的五种不同形式，即“运动的力”、“下落的力”、“热”、“电”和“化学力”，描述了运动变换的25种情况，得出了否定热质和其他失重流体的结论。根据气体温度变化时，恒压过程中吸收的热量大于定容过程中吸收的热量，他计算出热的机械当量为J=365千克·米/千卡，相当于J=3.48焦耳/千卡(当前标准值约为4.2)。

亥姆霍兹与力的守恒

德国科学家亥姆霍兹从生理现象入手，走向成功。当他还是一名大学生时，他怀疑当时流行的生物体内“有一种内在的活力”的理论。通过深入思考，他意识到这一理论“赋予了每一个有机体永动机的性质”。然而，亥姆霍兹认为永久运动是不可能的。因此，他提出，“如果永动是不可能的，那么自然界中不同的力量之间应该存在什么样的关系呢？这些关系真的存在吗？”这个问题导致亥姆霍兹发现了能量转换和守恒定律。

1847年，亥姆霍兹出版了他的名著《论力的守恒》。从物理假设和现有的物理理论出发，他得出了一个与经验相当的结论，并论证了这个基本原理。

除引言和注释外，本书分为六个部分:第一，活力守恒原理；第二，力的守恒原理；第三，这些原理在力学中的应用；第四，热力量化；五、电气过程的力当量；磁和电磁现象力等效。在这六个部分中，亥姆霍兹具体阐述了热、功、化学能、电磁能、光能和机械能之间的相互转化以及系统中的能量守恒定律。

此外，亥姆霍兹还专门研究了能量守恒原理在各种物理和化学过程中的应用。他指出，在万有引力作用下产生的所有运动，不可压缩固体或液体传递的运动，完全弹性固体或液体的运动，波的吸收和辐射热都符合“力的守恒原理”。

亥姆霍兹通过非弹性碰撞、摩擦等过程研究了“热的力当量”，并指出，在这些情况下，如果生命力丧失(当时定义的一个物理量，等于mv2，与今天的动能有些相似，是这种关系的两倍)发生，那么就会产生其他形式的“力”，首先是热。因此，“热量可以通过机械力来增加，因此，热现象不能从一种物质中推断出来，不能由这种物质的存在来制约，而只能从一些众所周知的物体(特定物体)的变化和运动中推断出来，或者从非物体(如电或以太)的变化或运动中推断出来。”

这样，赫霍兹系统地证明了力的守恒定律“与自然科学中任何已知的现象都不矛盾”，并且他确信“这个定律的完全证实将是物理学家在不久的将来的基本任务之一”。

四、经典物理实验模型——焦耳测定热的力学当量

焦耳对热的力学当量的测定为能量守恒原理的建立奠定了坚实的实验基础。

焦耳是曼彻斯特一个富裕酿酒商的儿子和业余科学家。他长期以来一直关心各种物理力的转化。1837年，焦耳在他父亲的工厂组装了一台电池驱动的磁电机，并对其进行了各种实验测试。在测试中，焦耳注意到了电机和电路中的发热现象。他认为这和机器中的摩擦加热是一样的，摩擦加热是动力损失的来源。这促使他对电流的热效应进行了定量研究。他用水银填充玻璃管，并通过不同的电流测量了一定时间内相应的温度变化，从而发现导体的热值与电流强度的平方成正比。他还用不同尺寸的导体做了实验，发现在一定时间内由一定电流产生的热量与导体的电阻成正比。

经过进一步考虑，焦耳认为磁电发电机的感应电流应该产生与化学电源电流相同的热效应。因此，他设计了一个实验，将一个线圈放入量热仪中，在电磁铁的两极之间旋转线圈，以产生感应电流。这个实验完全证明了磁电机可以产生热量。从这个实验中，焦耳认识到热和机械功可以相互转化，并且在转化的物种中应该遵循一定的等价关系。通过这种方式，“探索热量和机械功的损失或获得之间是否有一个恒定的比率，已经成为一个非常有意义的课题。”焦耳在磁电机线圈的旋转轴上绕了两条线，穿过两个天车，挂了一个几磅重的重物。完成的功可以从重量和重量的下落距离来计算。他做了13组实验，得到了一个平均结果:“一磅水的温度升高1华氏度的热量等于(并且可以转换成)一英尺能举起838磅重量的机械功”。该值相当于460千克米/千卡。

直到1878年才开始进行焦耳热当量的测定。用不同的方法先后进行了400多次实验。最后，获得了热的机械当量的最佳值，1千卡=427千克，相当于每卡4.27焦耳。焦耳的工作用精确的数据为能量守恒原理提供了无可争议的实验证明。

五、能源转换与节约法的最终确立及历史回顾

除了迈耶、亥姆霍兹和焦耳，许多人在这一时期也探索了同样的问题。如卡诺、格罗夫、科尔丁等。就这样，从19世纪30年代到19世纪50年代，许多人独立地提出了不同形式的能量守恒思想。这一重要发现生动地表明，科学的发展受到社会生产发展和科学内在逻辑的制约。这也显示了科学家的力量。

1853年，唐·穆孙提出了“能量”的概念，并给了它一个精确的定义:“我们把一个物质系统在给定状态下的能量，表示为当它以任何方式从这个给定状态转换到任何固定的零状态时，在系统外产生的机械功单位中测量的各种作用的总和。”就这样，格拉斯哥的力学教授兰金首先将“力的守恒定律”改为“能量守恒定律”。直到1860年左右，这一原理才被普遍认可，并很快成为物理学和所有自然科学的重要基石。

恩格斯对能量转化和守恒定律作了精辟的阐述，对该定律所包含的内容进行了深刻的分析，并首次科学地给出了该定律的名称。同时，他还对这一规律给予了很高的评价，称之为“绝对自然规律”，并将其与细胞学和进化论一起称为对建立辩证唯物主义世界观具有决定性意义的“三大发现”。

六、能源转换和节约法的高级阶段

1905年，爱因斯坦，人类历史上最伟大的物理学家之一，突破了牛顿绝对时空的束缚，创立了相对论，揭开了物理学史上的新篇章。他的相关理论也把能量转换和守恒定律引向了更高的阶段，使这一定律的内涵和外延得到了新的升华。

1905年9月，爱因斯坦在他的论文中写道:“一个物体的惯性与它所包含的能量有关吗？”提出了质量-能量变化关系，其中能量变化是真空中的质量变化和光速。1907年，在他的论文《论相对论及其结论》中，爱因斯坦再次阐明了质量和能量之间的依赖关系。这是著名的质量能量方程。

爱因斯坦认为:“质量和能量本质上是相似的，它们只是同一事物的不同表现。对于孤立的系统，质量守恒定律只有在其能量保持不变时才是正确的，这使得质量守恒定律与能量原理具有相同的含义。”这是狭义相对论中质量和能量守恒定律。

1907年以后，爱因斯坦在彻底研究了狭义相对论的局限性之后，扩展了相对论的原理，并开始创立广义相对论。1913年，爱因斯坦导出了引力场中粒子运动的四维广义协变方程。1915年，引力场方程——爱因斯坦方程被导出。1916年，爱因斯坦在广义相对论的基础上，从场方程得到了能量和动量守恒定律。该定律是广义协变的。

质量和能量守恒定律和能量和动量守恒定律是经典物理学中能量转换和守恒定律发展的高级阶段。它们是最高、最好、最美丽的完整形式，能够表达现代物理学中的普遍自然规律。