能量守恒定律的发现,为事物普遍联系的观点提供强有力的科学依据

来源:青柠的感情 2018-12-02 00:58:02

1832年的那次霍乱致使卡诺英年早逝,也使他与能量守恒定律擦肩而过,十几年后,能量守恒定律终于在迈尔、焦耳等人的努力下被发现在热力学的框架内,热力学第一定律和能量守恒定律是等价的。其实,热力学第一定律是能量守恒定律在热力学上的具体表现。能量守恒定律的内容是:自然界一切物质都具有能量,能量有各种不同的形式,能够从一种形式转换为另种形式,从一个物体传递给另一个物体,在转换和传递的过程中,各种形式能量的总量保持不变。

第一个以论文形式阐述能量守恒和转化思想的是德国青年医生迈尔1840年1月至1841年1月,迈尔作为船医远航到东印度,发现在热带地区海员的静脉血液比在欧洲时要更红一些。根据拉瓦锡的燃烧理论,迈尔认为,在热带,人的机体只需要吸收较少的热,从而机体中食物氧化过程减弱,静脉血液中留下了较多的氧,因此颜色较红。他由此得出:人体是一个热机关,体力和体热都来源于食物中所含的化学能,热的一部分变为体温,其他部分转化为筋肉的机械功能。也就是说化学能可以转化为热能。另外,他又听海员们说,暴风雨来临时,海水温度会升高,这使他想到是狂风吹打海水的机械能转化成了热能。

1841年他回国后,写了一篇论文,题目是《论热的量和质的测定》,文中提出了热是运动的观点,说明热是由运动转化来的。但这一文章没有得到承认,德国权威刊物《物理学和化学年鉴》拒绝发表他的文章,也未退稿(该稿36年后才被从编辑部取出发表)。

在学术上第一次遭打击后,迈尔决心进一步学习物理学和数学,并用实验来证实自己的观点。1942年,他用一块与水温相同的金属,从高处落入水槽中,他发现水的温度升高了。长时间用力摇动水槽,水温也升高。不过这些实验都还是定性的。后来又进行了定量的测定,经过一些定量计算,他初步算出了热功当量的值,结果是1卡=365克·米,相当于3.58焦耳,接近于真实的热动当量值(1卡=4.1868焦耳)。他把他的研究成果写成论文《论无机界的力》,发表在德国。《化学与药物学》杂志上。文章发表后,又招来了学术上的第二次打击,权威们都攻击和嘲笑他的荒唐,一致反对他的观点。

这使他精神上受到很大的刺激,加上他的两个孩子在1846年和1848年相继天亡。这一系列的打击使他在1850年5月的一个夜晚跳楼自杀,幸未致死,但患了精神错乱症,长期在格平根的精神病院中疗养,与世隔绝。以致李比希在1858年的一次演讲中宣称迈尔已经因病早亡波根多夫的(册》也正式记载迈尔的“去世”,而以后的更正却不为人们所注意。七八年后,迈尔逐渐恢复了健康。他的科学成就逐渐为社会所承认。1858年,瑞土巴塞尔自然科学院接受他为荣誉院士。他在1860年左右开始出席科学会议。由于英国物理学家廷德耳的力争,迈尔的科学成就在英国也得到了承认。

1871年,他晚于焦耳一年获得了英国皇家学会的科普利奖章。以后他还获得蒂宾根大学的荣誉哲学博士,巴伐利亚和意大利都灵科学院院士的称号。1878年3月20日因右臂结核感染在海尔布隆逝世。

另一位对能量守恒的发现作出重大贡献的是英国物理学家焦耳,他几乎是与迈尔同时,开展了对能量守恒和转化问题的研究,也取得了重大突破。焦耳是科学史上著名的实验物理学家。与迈尔的工作不同,他不是从纯理论上的推演,而是通过大量的实验来证明。他用20多年的时间进行了大量的实验,1840年发表了《论伏打电池所产生的热》一文,文中提出,当电流沿金属导线流动时,所产生的热同导体的电阻和电流强度的平方成正比,这就是著名的焦耳定律。1842年,楞次也独立发现了这定律,故名焦耳一楞次定律。

焦耳在1843年还完成了热功当量的测定。第一次算出的值为1卡=4.6焦耳。后于1845年1850年间,用5年的时间作了科学史上有名的搅拌实验,精确地测定了机械能转化为热的当量为1卡=4.157焦耳,很接近于4.1868的真实值。焦耳对能量守恒定律的研究,命运也不比迈尔好多少。当时许多权威都抱不信任甚至是轻慢的态度。后来还是得到法拉第的支持,焦耳的观点才逐渐在英国皇家学会得到承认。

在能量守恒定律的发现中,作出过重要贡献的还有格罗夫,他是在伏打电池的基础上发明电压比较高的“格罗夫电池”的人。他是一名英国律师。他在搜集整理当时物理学方面已取得的各种成果基础上,也得出了能量守恒的结论。他在伦敦的一次演讲中指出了一切所谓物理力(即能量),包括机械、热、光、电、磁、甚至化学力,在一定条件下都可以相互转化,而不发生任何力的损耗。这个演讲稿于1846年以《物理力之间的相互关系》为题在伦敦出版。它是从一般意义上论述能量守恒定律的最早的著作之一。马克思在读了这本书之后认为,他不仅在英国,而且在德国自然科学家中无疑是最有哲学思想的。

此外,还有许多科学家对能量守恒定律的发现作出了贡献,或在各自然科学对能量守恒的研究,或对各种能量守恒思想进行总结,或对能量守恒定律提出不同的表述方式。第一次使用能量“转化”这个概念的是恩格斯。“能量守恒和转化定律”这个名称确实能更好反映该定律的本质。不过有时为了简便,人们也称之为“能量守恒定律”。

能量守恒定律的发现,具有重大的意义。它生动地证明了自然界各种物质运动形式不仅具有多样性,而且具有统一性。打破了过去人们把热、光、电、磁、化学等运动形式都看作是彼此孤立的形而上学观念,为事物普遍联系的观点提供了强有力的科学依据。

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