△能量守恒定理 

蒸汽机的广泛使用在物理学和技术面前提出了一个十分重要的实际问题:怎样才能在机器里消耗尽可能少的燃料而获得尽可能多的功?为了解决这一实际问题,人们开始研究各种能量形式之间的转化关系。在广泛的工业实践基础上,19世纪中叶有许多人几乎同时而又各自独立地发现了能量守恒和转化规律。

所谓能量守恒和转化规律,就是说:能量既不能消灭,也不能创造,它只能从一种形式转变成另一种形式。宇宙中总能量永远保持不变。比如,发电站把机械能转化为电能;在工厂、公司和家庭中,这些电能又转化为机械能(机器的转动)、热能(电熨斗、电热器件等)、光能(电灯等)。各种不同形式的能量可以互相转化,并在数量上是既不增加,也不减少,这是人类长期以来认识物质及其运动的重大总结和概括,也是认识史上的革命性飞跃。

在发现能量守恒和转化定律的许多人中,焦耳在用能量守恒和转化定律的实验来测定热功当量等方面作出了重要贡献。焦耳是19世纪英国的物理学家,生于1818年。他的父亲在离家乡不远的曼彻斯特市开酿酒厂,他从小就跟他的父亲学会了酿酒。焦耳非常好学,除了参加酿酒劳动外,其余的时间都花在学习和作实验上。通过别人的介绍,他认识了当时的化学家道尔顿(1766-1844年)。他便抓住一切机会向道尔顿请教,道尔顿也鼓励他要敢于从事科学研究工作。除了从道尔顿那里学到一些知识外,焦耳在科学上几乎是靠自学成功的。由于焦耳从未脱离酿酒厂劳动,使他很早就认识到准确测量的重要性。

1840的,焦耳多次作过通电导体发热的实验。这个实验的装置就像我们现在用电炉煮水一样,不过他是把金属丝直接放入水中。这是为了避免其热量损耗。实验时,测出金属丝的电阻、电流强度、通电时间,以及水的温度升高了几度,就可以分别算出电流做了多少功,水的热量有了多大的变化。通过这个实验,焦耳发现了这样一条定理:通电导体所产生的热量跟电流强度的平方、导体电阻和通电时间成正比例。根据这些实验结果,焦耳写成《电流析热》一文。这时候的焦耳才二十二岁。这篇文章成为设计电灯、电炉和各种电热器体的理论根据。焦耳第一次用实验表明:电能可以转化为热能,并且已接近于得到热功当量的概念。

紧接着这一发现,焦耳又进行了各种实验,探讨各种运动形式之间的能量转化关系。1843年,他通过各种实验总结出《论水电解时产生的热》一文。同年8月,焦耳在考尔克市举行的学术协会上作了《论电磁的热效应和热的机械值》的报告。报告中讲了若干实验。其中之一,把水放进磁场中,让一个小电磁体在水中旋转,测量维持电磁体旋转所作的功和运动线圈中的感应电流所产生的热。实践证明,消耗的功和产生的热都与电流的平方成正比。可见,产生的热和用以产生它所作的功之间存在着恒定的比例关系。此时,焦耳计算得到:1千卡的热相当于460千克重米的功。他报告的最后结论是:自然界的力量(即能)是不能毁灭的,那里消耗了机械力(能),总能得到相当的热。从此,热已被实验证明是一种能量形式,热功当量也已初次用实验测定了。

在焦耳做上述实验时,当时的技术界流行一种“热质说”,即所谓热是一种“物质”,它是量不出来秤不出来的。如果使高温物体接触低温物体时,这种“热质”就从高温体流向低温体。从而达到热的平衡。由于摩擦使两块物体都升高了温度,热质说在摩擦问题上遭遇到毁灭性的打击。因此,当焦耳宣布热是能的一种形式时,他的发现立刻就引起了轰动。在既有反对又有赞同声中,焦耳感到必须继续作实验,必须以大量的更精确的实验事实来证明。焦耳又做了把水压入毛细管中的实验,通过摩擦作用测得热功当量为424.9千克重米/千卡。1844年,焦耳研究了压缩空气所做的功以及空气温度升高之间的关系,得到热功当量值为443.8千克重米/千卡。1878年,他进行这一工作将近40年了,他已前后用各种方法进行了四百多次的实验。在这近40年的四百多次的实验中,于1849年和1878年用摩擦使水生热的方法所得的结果是相同的,即为423.9千克重米/千卡。一个重要的物理常数的测定,能保持30年(1849-1878)而不作较大的更正,这在物理学史上也是极为罕见的事。后来一般公认它为热功当量的焦耳值,它比现在的公认值约小0.7%。从当时的条件看,其精确性不能不使人惊奇了。

其实,以细致入微的技巧控制好粗糙简陋的仪器,同样能得到先进精密仪器所能达到的精确度和准确度。而在揭示新规律的前夜,往往只有粗糙的和非专门化的设备,也只有少数人才能用这些仪器作出真实客观的结果,从而揭示重要的客观规律。否则,即使想到某种重要的关系,得不到准确的测量结果,也达不到结论。

焦耳的伟大发现并不是一帆风顺的。1840年,焦耳二十二岁发现通电导体发热的规律时,有些科学界的权威就表示反对。1844年,当焦耳以压缩空气使其温度升高时,他从另一途径得到了热功当量。此时他要求在皇家学会宣读自己的论文,却遭到拒绝。1847年6月,在牛津举行的全国学术会议上,焦耳向大会宣读自己的论文,但是会议主席以会议内容多为借口,不让他宣读论文,只允许他对自己的实验作简要的介绍。因此,焦耳只在会上介绍了自己的实验并作了表演。大会主席原不准备讨论它,要不是已有较高学术地位的维廉·汤姆生立即起来发言表示反对,焦耳的报告就不可能顿时引起人们的注意。维廉·汤姆生是格拉斯哥大学理论物理学研究室主任,是热质论的拥护者,他仍坚持热质说,并认为热不可能转为功。当时,甚至连法拉第在内的大部分物理学家都对焦耳的结论表示怀疑。直到1850年,来自不同途径以不同方法获得能量守恒和转化定律的许多人都先后宣布了和焦耳相同的科学结论,有些的物理学家也在这方面作了努力并取得了成果。有意思的是,曾经反对焦耳的维廉·汤姆生此时也改变了自己的观点,接受了热功当量说。1851年汤姆生和焦耳共同研究热功当量,汤姆生从焦耳那里得到了他从未有过的思想,焦耳从汤姆生那里第一次听到了卡诺所作的有关方面的工作。1853年,在焦耳的协助下,汤姆生对能量守恒和转化定律作了精确的表述。

焦耳死于1889年10月11日。物理学上用他的名字“焦耳”作为功的单位名称。他平生的科学活动都收集在《热的新理论》以及《焦耳科学论文集》两卷本中,后人为了纪念他,把通电导体产生的热称为焦耳热,把这效应称为焦耳效应,把相当的规律称为焦耳定律。