科学蒙难集 1106-第17章
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必要的诞生条件
能量守恒和转化定律的诞生，在有了其他种种准备之后，还必须清除一个理论 障碍——热素说，并从现实社会实践提出的重要课题中汲取力量。
热素说是18世纪广为流行解释热的本质的一种错误理论。它认为，热是一种没 有重量、可以在物体中自由流动的物质。热素说既然把热看作是一种物质，那就不 可能存在着热和机械运动的转化。磨擦所以生热，只是由于磨擦把热素逼出来，使 磨擦后的物体的比热比磨擦前小，所以温度升高，而热素的量并没有增加。
给热素说以沉重打击的是美国物理学家伦福德（Rumford，1753－1714）和英 国化学家戴维（Davy，1778－1829）的工作。1789年，伦福德在慕尼黑兵工厂监 造大炮时，发现钻炮膛所有的钻头越钝，钻削的碎屑越少，所产生的热量却越多。 这与热素说认为碎屑越少，金属释放的热素就越少的说法恰好相反。为了证明钻削 时产生的热不是来源于热素的解释，伦福德把炮筒放在水槽里，用一支钝得几乎不 能削出碎屑的钻头钻孔。几匹马拉着钻具钻了约两个半小时，槽内约18磅水竟然沸 腾起来。没有任何东西供给热素，竟然源源不断地产生热。这些热是从哪里来的呢？ 实验说明“热只能来源于钻头的运动，1799年，戴维又做了冰磨擦实验。他用两块 冰在真空中磨擦，并使整个仪器都保持在0℃。几分钟后，冰融化成水，但冰吸收的 热是从哪里来的呢？唯一的可能是由机械运动转化而来。伦福德和戴维的实验，打 破了热素说的缺口，从而为能量守恒和转化定律的发现扫除了思想障碍。
能量守恒和转化定律的发现，直接导源于现实社会实践的需要。19世纪30年代 前后，蒸汽机生产的实践提出了如何提高蒸汽机的效率这一重大课题，从而为能时 守恒和转化定律的发现提供了最坚实的实践基础。恩格斯指出：“社会一旦有技术 上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进”。于是，在19世纪30 年代和40年代的十多年里，几乎同时在五个不同的国家里由六七个不同的行业的十 几个专家和非专家，在几个不同的科学领域中以不同的形式各自独立地提出了能时 守恒和转化定律，从而显示出这个定律是一个具有根本重要性的普遍的自然规律。
第一个在这方面作出重大贡献的，是法国青年军官和工程师萨迪。卡诺（S。 Carnot，1796－1832）。他十分熟悉蒸汽机的设计，又有较好的数理训练，于 1824年发表了《关于火的动力以及产生这种动力的机器的研究》一文，分析蒸汽机 中决定热产生机能能的各种因素，得出结论：热机必须工作于两个热源之间，热从 高温热源转移到低温热源时才能做功，热机做功的数值与工作物质无关，仅仅决定 于两个热源之间的温度差。卡诺的这一原理以后就成为热力学第二定律的基础。但 是，由于他相信热素说，因而看不到热能和机械能之间的转化以及两者总和的守恒 关系，传统观念挡住了他作出科学发现的道路。然而，当他放弃了热素说之后，于 1830年，他在笔记本中便明确地提出了热的分子运动论和能量守恒与转化定律，得 出热的机械当量为370千克米／千卡（今天准确数值为427千克米／千卡）。可惜， 卡诺夭亡后，他的遗稿，因其弟无知而被长期弃置。直至1878年才公布于世。这时， 人们早已公认能量在转化中守恒这一定律。卡诺的发现之所以对历史的进程没有发 现什么直接影响。显然由于当时人们科学认识水平的局限性被埋没了。然而，卡诺 的发现本身毕竟表明，能量守恒和转化定律发现的客观时机已经成熟了。
继卡诺之后，德国生理学家莫尔在1837年发表了《论热的本质》一文，表述了 类似的思想。1839年，法国工业革命家和铁路建设的先驱者M。塞贯，在他的论述 铁路工程的重要著作——《论铁路的影响》一书中，计算出了热的机械当量。1840 年，瑞士化学家赫斯提出热化学定律，指出化学反应中所释放的热量是一个同中间 过程无关的恒量。可惜，这些人的著作，有的长期得不到发表的机会，有的即使发 表了，却没有引起人们的注意。这些科学发现，“蒙难”的本身，既说明人们缺乏 识别新发现重大意义的能力，又说明社会实践的需要铖如化学反应中催化剂那样， 加快已孕育了漫长历史时斯的有关能量守恒和转化思想的正式问世。山雨欲来风满 楼。能量守恒和转化定律发现的历史条件成熟了。先驱者们的工作虽然没有正式构 成能量守恒和转化定律的内容，然而，他们的潜在发现在人类的科学认识史上具有 不可忽视的意义。先驱者们的努力终于使孕育成熟的能量守恒和转化定律在1842年 正式诞生了。这一年，人们同时从不同的途径来了一个大突破。
巧妙的殊途同归
1842年，恩格斯曾经把它称为自然科学发展史上“划时代的一年”。因为 在 这一年，有三个不同种工作的人几乎同时证明了机械能、热能、光能、磁能和化学 能等在一定条件下可以相互转化，然而却不发生任何消耗，并且确定了热的机械当 量。正是这些工作标志着能量守恒和转化定律正式问世。与此同时，发现者们却蒙 受了巨大的精神创伤。尽管如此，他们仍然胸怀坦荡，一往无前，充分表现了科学 家们探索真理的崇高献身精神。
德国26岁的青年医生迈尔（J。R。Mayer，1814－1878）于1840年随船从荷 兰驶往东印度。当远洋轮航至热带海域时，船医迈尔发现海员患病者静脉血液比在 欧洲时红亮。迈尔受拉瓦锡的氧化燃烧理论的启示，认为这是由于血液含氧较多的 缘故。因为在热带高温条件下，人的机体只需要从食物中吸收较少的热量就足够了， 所以人体中食物的氧化过程减弱了，静脉血里留下的氧就比较多。由此，迈尔联想 到人体内的食物所含的化学能就像机械能一样，可以转化为热能。回国后，迈尔继 续进行研究。他进一步发展了伦福德的思想，在一家纸厂设计了一个实验，大锅里 的纸浆用机械搅拌，靠绕着圈子的马作为动力。他测出纸浆温度的升高，就可得到 马做了一定量的机械功所产生的热量的数据。迈尔还从空气的定压比热Cp和定容比 热Cu的关系计算出一卡热相当于365克。米，即3。58焦耳（现在精确有数值是 4。184焦耳）。1842年，迈尔写成了他的第一篇关于能量守恒和转化定律论文： 《论无机自然界的力》。论文发往当时德国主要物理学年鉴杂志，结果被主编波根 多夫拒绝发表而退了回来。虽化学家李比希主编的化学年鉴杂志1842年5月号上发 表了迈尔的论文，但并未引起人们的注意。而1845年的迈尔的第二篇论文，则是 以自己的经费才得以发表的。
在科学的征途上，迎接科学家的往往并不是什么鸟语花香，而可能是苛薄的冷 嘲热讽。作为第一个发表了能量守恒和转化定律的迈尔，一次在海德尔堡遇见了约 利，约利嘲讽迈尔说，如果你的理论是正确的话，水能够被晃动而加热。仓促发难， 迈尔连一句话也没回答便走了。几周之后，迈尔回到了约利那里坚定地回答说，正 是那样，正是那样！学术界偏见的打击使迈尔的精神受到严重刺激。1849年5月28 日，迈尔从二层楼窗口跳下自杀未遂。大致恢复健康以后，他又写了一篇关于热的 机械当量的论文。1851年，他被关进精神病院，受到残酷折磨。1853年恢复自由， 可是精神却从此再未恢复正常，以致在痛苦中度过了二十多年的余生。
到了1858年，只有少数几个人肯定迈尔的能量守恒和转化定律。其中丁铎尔给 予了公正的历史评价，并于1862年在英国皇家学会上作了关于迈尔工作的讲演，还 翻译了迈尔的几篇论文。物理学家威廉。汤姆逊等人却对迈尔的工作评价很底，并 且责怪丁铎尔高估了德国的迈尔而低估了英国的焦耳。
焦耳（J。P。Joule，1818－1889）是英国的业余物理学家，是最先用科学实 验确立能量守恒和转化定律的人。和偏爱理论思维的德国人不同，焦耳具有英国人 重视实验的传统。他先后用了四十多年时间，进行了大量实验。1840年，22岁的焦 耳首先测定了电流的热效应，发现一定时间内电流通过导线所产生的热量，同导线 的电阻和电流强度平方乘积成正比。这就是著名的焦耳定律。焦耳根据这一实验设 想电能因阻力而转化为热能了。这些思想集中体现在他的第一篇论文：论伏打电池 产生的热》。1843年，焦耳又做了一个实验，他把盛有水的容器放进磁场中，然后 让一个线圈在水中旋转，测量运动线圈中感生电流产生的热和维持运动所消耗的能 量。实验说明消耗的能和产生的热能与电流的平方成正比。因此，产生的热和用来 产生的机械动力之间存在恒定的比例。焦耳把这一实验结果写在他的第二篇论文： 论电磁的热量效应和热的机械值》。
焦耳的研究并没有立刻引起人们的注意。英国皇家学会拒绝发表他的两篇论文。 因为在皇家学会看来，作为酿酒商的年轻焦耳的发现不可能有多大学术价值。在朋 友们劝告下，焦耳申请自然哲学教授的候选人，但因他的容貌缺陷而未获准。焦耳 继续当一个酿酒商，并继续他的科学研究。1847年4月，焦耳在曼彻斯特作了一次 通俗的学术讲演，介绍了他测定热的机械当量的新实验，即用铜制翼轮来搅动水， 使水温升高，而转动翼轮的动力用砝码下落来提供。地方报纸起初不予理睬，有一 家报纸甚至拒绝报导这件事。经过很长时间的争论，《曼彻斯特信使报》才全文发 表了焦耳的演说。在1847年6月，这个论题又提呈到牛津会议上，大会主席建议只 由焦耳作简要报告，而无须进行讨论。当会议丝毫不考虑焦耳新思想而要立即转入 其他议程的时候，年轻的威廉。汤姆逊站起来发言，从而引起了人们对这个理论的 新兴趣。结果，焦耳的能量守恒和转化定律的思想引起了很大的轰动，焦耳本人才 成为科学界注意的人物。
1849年，焦耳在他的《热的机械当量》论文中宣布了他的新实验结果：要产生 能使1磅水（在真空中称量，温度在55°F－60°F之间）提高1°F的热量，需要花 费相当于772磅重物下降1英尺所作的机械功。此值相当于4。157焦耳／卡，很接近 现在的4。184的数值。为了系统地测量各种能量形式转化的当量关系，以最精确的 实验来证实能时守恒的论断，焦耳从40年代开始，做了四百多次实验，直到1878年 获得最后的数据。这时，一个二十多岁的年轻小伙子，已变成六十多岁的白发老头 子了。
1847年，当焦耳在英国报告他的能量守恒和转化定律时，26岁的德国物理学家 赫尔姆霍茨（Helmholtz，1821－1894）在柏林物理学会上宣读了他从研究动物热 的途径中发现了能量守恒和转化定律的论文：《活力的守恒》。这篇论文被权威们 看成是异想天开的思辨，波�
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