四能量转化与守恒定律的确定

1、能量转化与守恒定律的确立能量转化与守恒定律的确立思考题思考题1、能量守恒原理的初步思想，在近代自然科学发展的哪时、能量守恒原理的初步思想，在近代自然科学发展的哪时期就盟发出来的期就盟发出来的,是哪个学科最先提出来的，被称为什么是哪个学科最先提出来的，被称为什么定律定律?2、“功功”这一概念是在哪个国家、从哪个方面的研究中引这一概念是在哪个国家、从哪个方面的研究中引入物理学的？入物理学的？ 3、 “能量能量”这一概念，最早是由谁于哪一年提出的？这一概念，最早是由谁于哪一年提出的？ 4、德国哲学家黑格尔提出了各种现象之间相互联系和转化、德国哲学家黑格尔提出了各种现象之间相互联系和转化的思想包括哪些

2、内容？的思想包括哪些内容？能量转化与守恒定律的确立能量转化与守恒定律的确立一一、运动不灭思想的发展运动不灭思想的发展二、各种自然现象之间联系与转化的发现二、各种自然现象之间联系与转化的发现三、几位科学家的工作三、几位科学家的工作四、能量转化与守恒定律的确立四、能量转化与守恒定律的确立一、运动不灭思想的发展一、运动不灭思想的发展1、“运动不灭运动不灭”思想的提出思想的提出 运动不灭思想早在中国古代和古希腊，就已运动不灭思想早在中国古代和古希腊，就已被哲学家们提出被哲学家们提出 1644年，年，笛卡尔笛卡尔明确指出物质有一个明确指出物质有一个一定量一定量的运动，这个量是从来不增加也从来不减少的运动

3、，这个量是从来不增加也从来不减少的几乎与的几乎与笛卡尔笛卡尔同时，明末清初的思想家同时，明末清初的思想家王夫王夫之之也通过实践的观察，从也通过实践的观察，从哲学哲学上提出了运动不灭上提出了运动不灭思想思想 2、能量守恒原理的初步思想能量守恒原理的初步思想 能量守恒原理的初步思想，在近代自然科学能量守恒原理的初步思想，在近代自然科学发展的初期就盟发出来，而且是在发展的初期就盟发出来，而且是在力学力学中最先提中最先提出来的，一直被称为出来的，一直被称为“活力守恒活力守恒”定律（定律（机械能机械能守恒守恒）,伽利略、惠更斯、莱布尼茨和伽利略、惠更斯、莱布尼茨和D伯努利等伯努利等人对这一定律的建立都做

4、出过自己的贡献。人对这一定律的建立都做出过自己的贡献。 伽利略将力与路程的乘积称为伽利略将力与路程的乘积称为“矩矩”；莱布；莱布尼茨把与重量和高度的乘积等值的运动作为基本尼茨把与重量和高度的乘积等值的运动作为基本量量来考察运动的量度量量来考察运动的量度“活力活力”。 从从1820年起，在法国出版的一系列工程技术论著中，年起，在法国出版的一系列工程技术论著中，“功功”这个概念逐渐被确立为一个重要概念。这个概念逐渐被确立为一个重要概念。法国工程法国工程师师卡诺卡诺以重物与升高和乘积来评价机器的功效，他把这以重物与升高和乘积来评价机器的功效，他把这个量称为个量称为“作用矩作用矩”。法国数学家。法国数

5、学家蒙日蒙日把功作为把功作为“动力动力效应效应”。1829年，法国物理学家年，法国物理学家科里奥利科里奥利坚决主张活力坚决主张活力应表示为，因为这样一来它在数值上就会等于它所做的应表示为，因为这样一来它在数值上就会等于它所做的功。法国工程师功。法国工程师彭塞利彭塞利在同年明确地推荐了在同年明确地推荐了“功功”这一这一术语，并提出了机械过程中的能量守恒原理：功的代数术语，并提出了机械过程中的能量守恒原理：功的代数和的二倍等于活力的和；任何时候都不能从无中产生功和的二倍等于活力的和；任何时候都不能从无中产生功或活力，功或活力也不能转化为无，而只能组成无。这或活力，功或活力也不能转化为无，而只能组成

6、无。这样，样，“功功”这一概念就从机械效率的研究中引入物理学。这一概念就从机械效率的研究中引入物理学。 “能量能量”这一概念，最早是由英国物理这一概念，最早是由英国物理学家学家托马斯托马斯.杨杨于于1807年提出的。他在他的年提出的。他在他的自然哲学讲义自然哲学讲义中写道：中写道：“应该用能量应该用能量一词来表示物体的质量或重量与表示速度一词来表示物体的质量或重量与表示速度的数的平方的乘积的数的平方的乘积”不过他的这个意见不过他的这个意见并未引起人们的重视，直到并未引起人们的重视，直到1853年才被年才被W .汤姆孙汤姆孙所采用。所采用。 3.永动机的研究永动机的研究 随着随着“能量能量”的提

7、出，人们开始致的提出，人们开始致 力于力于永动机永动机的研究的研究 早期一个很著名的永动机设计方案，早期一个很著名的永动机设计方案， 是是13世纪一个名叫世纪一个名叫亨内考亨内考的法国人提出的法国人提出 来的，亨内考在一个轮子的边缘等距地来的，亨内考在一个轮子的边缘等距地 安装安装12根活杆，杆端装以重锤他设想，当轮子转起来根活杆，杆端装以重锤他设想，当轮子转起来后，由于右侧的重锤距轮心更远些，就会驱使轮子永不息后，由于右侧的重锤距轮心更远些，就会驱使轮子永不息地沿着顺时针方向转动下去，至少要转到轮轴磨坏时为止，地沿着顺时针方向转动下去，至少要转到轮轴磨坏时为止，但实际上轮子仅转动了但实际上轮

8、子仅转动了12圈后就停下来了圈后就停下来了亨内考的永动机亨内考的永动机马尔基斯的永动机马尔基斯的永动机 17世纪，英国的一个名叫世纪，英国的一个名叫马尔基马尔基 斯斯的犯人，做了一台转轮永动机转的犯人，做了一台转轮永动机转 轮的直径约轮的直径约4.3米，米， 有有12个质量均为个质量均为 23千克的重球沿转轮辐条向外运动，千克的重球沿转轮辐条向外运动， 轮流驱使转轮不断转动据说他曾向英国国王查理一轮流驱使转轮不断转动据说他曾向英国国王查理一世表演过这一装置，国王见了十分高兴，就释放了他，世表演过这一装置，国王见了十分高兴，就释放了他，其实这台机器由于有较大的自重，经推动后能依靠惯其实这台机器由

9、于有较大的自重，经推动后能依靠惯性维持一段时间，终究还是要停止转动的性维持一段时间，终究还是要停止转动的 二各种自然现象之间联系与转化的发现二各种自然现象之间联系与转化的发现 自然科学方面完成的一系列重大发现，日益揭示出自然科学方面完成的一系列重大发现，日益揭示出各种自然现象之间的普遍联系和转化德国哲学家各种自然现象之间的普遍联系和转化德国哲学家黑格黑格尔尔提出了各种现象之间相互联系和转化的思想提出了各种现象之间相互联系和转化的思想 1、机械运动与热之间的转化、机械运动与热之间的转化 2、热与电之间的转化、热与电之间的转化 3、机械运动与电之间的转化、机械运动与电之间的转化 4、电与磁之间的转

10、化、电与磁之间的转化 5、化学与电之间的转化、化学与电之间的转化 6、其他形式的相互之间的转化、其他形式的相互之间的转化1. 机械运动与热之间的转化机械运动与热之间的转化 古代早已发现的摩擦生热现象，直接表明了古代早已发现的摩擦生热现象，直接表明了机械运动向热的转化伦福德和戴维的实验进一机械运动向热的转化伦福德和戴维的实验进一步证实了这种转化步证实了这种转化 17、18世纪蒸汽机的发明和改进，为热向机世纪蒸汽机的发明和改进，为热向机械运动的转化做出令人信服的证明械运动的转化做出令人信服的证明 18211821年，德国物理学家年，德国物理学家塞贝克塞贝克(1780-1831)(1780-1831

11、) 将铜导线将铜导线与铋导线连成一个闭合回路，用手握住一个结点使两个与铋导线连成一个闭合回路，用手握住一个结点使两个结点间出现了温差，结点间出现了温差，塞贝克塞贝克发现导线上出现了电流；发现导线上出现了电流；用用冷却一个结点的方法可以产生同样的效应，这就是冷却一个结点的方法可以产生同样的效应，这就是“温温差电差电”现象现象 18341834年，法国的年，法国的瑚耳帖瑚耳帖(1785-1845)(1785-1845)发现了它的逆发现了它的逆效应效应在在用铜导线和锑导线连成的回路上，当电流由铜用铜导线和锑导线连成的回路上，当电流由铜流向锑时，流向锑时，结点处温度结点处温度则则下降下降了了5，实现了

12、，实现了电向热电向热的转的转化化 18401840年和年和18421842年，年，焦耳焦耳和和楞次楞次分别发现了分别发现了电流转化电流转化为热为热的著名定律的著名定律-焦耳焦耳- -楞次楞次定律定律2. 热与电之间的转化热与电之间的转化3. 机械运动与电之间的转化机械运动与电之间的转化 古人早已发现的古人早已发现的摩擦生电摩擦生电的现象，是机械运动的现象，是机械运动转化为电的过程转化为电的过程17世纪以来，人们根据这一现象世纪以来，人们根据这一现象制造了制造了摩擦起电机摩擦起电机以获得大量的电荷以获得大量的电荷 1821年，法拉第制成的年，法拉第制成的“电磁旋转器电磁旋转器”则是电则是电流产生

13、机械运动的过程流产生机械运动的过程 这样，机械运动和电运动之间的转化完成了循这样，机械运动和电运动之间的转化完成了循环环. 当电流通过电极以及当电流通过电极以及杯中的水银时，磁棒就杯中的水银时，磁棒就绕着电流周围旋转绕着电流周围旋转4. 电与磁之间转化电与磁之间转化 1820年年奥斯特奥斯特关于关于电流的磁效应电流的磁效应以及以及1831年年法拉第法拉第的的电磁感应现象电磁感应现象的发现，使的发现，使电和磁电和磁之间的转化完成了循之间的转化完成了循环环电生磁电生磁 磁生电磁生电 5. 化学与电之间转化化学与电之间转化 1800年，年，伏打伏打经过研究制成了经过研究制成了“伏打电堆伏打电堆”，实

14、现了，实现了化学运动向电运动化学运动向电运动的转化的转化 不久，人们利用电流进行电解，（比如：不久，人们利用电流进行电解，（比如：充电器充电器、电解电解电容）电容）实现了实现了电运动向化学运动电运动向化学运动的转化的转化伏打电堆伏打电堆 将两种金属（锌和铜）板插到将两种金属（锌和铜）板插到盛有盐水或稀酸的杯子里，只要将盛有盐水或稀酸的杯子里，只要将两种金属用导线接通，就有电流产两种金属用导线接通，就有电流产生把杯子一个个串接起来，就形生把杯子一个个串接起来，就形成电池组（用手握住两端导线，身成电池组（用手握住两端导线，身体就有触电的感觉）体就有触电的感觉）6. 其他形式的相互间转化其他形式的相

15、互间转化 在在18世纪，德国化学家世纪，德国化学家李比希李比希(JustusLiebig，1803 -1873)通过对发酵和腐烂过程中热的来源的进一步探通过对发酵和腐烂过程中热的来源的进一步探讨，得出了它们可能来自化学变化的结论讨，得出了它们可能来自化学变化的结论 1801年，德国人年，德国人李特尔李特尔研究了紫外线的化学作用；研究了紫外线的化学作用； 1839年年, 法国人法国人E.A贝克勒尔贝克勒尔发现光照射稀酸液发现光照射稀酸液中金属板极能够改变电池的电动势；中金属板极能够改变电池的电动势；1845年，年，法拉第法拉第发现光的偏振面的磁致偏转发现光的偏振面的磁致偏转这都是不同运动形式之间

16、的联系和转化！这都是不同运动形式之间的联系和转化！ 自然科学上的这类发现，在哲学上也得到了反自然科学上的这类发现，在哲学上也得到了反映德国哲学家映德国哲学家黑格尔黑格尔(G.F.W.Hegel,1770-1831)提出了提出了各种自然现象之间联系和转化的思想各种自然现象之间联系和转化的思想 谢林谢林(F.W.J.vonSchelhng, 1775-1854)进一步断言，进一步断言，磁的、电的、化学的、甚至有机现象都会被编织成一个磁的、电的、化学的、甚至有机现象都会被编织成一个综合体系综合体系；谢林还指出，；谢林还指出，光、电等现象都不过是同一种光、电等现象都不过是同一种力的不同形式力的不同形式

17、这种观点，为发现能量守恒原理提供了这种观点，为发现能量守恒原理提供了有利的哲学环境有利的哲学环境 到了到了1919世纪世纪4040年代前后，欧洲科学界已经年代前后，欧洲科学界已经普遍蕴含着一种思想气氛，以一种联系的观点去普遍蕴含着一种思想气氛，以一种联系的观点去观察自然现象正是在这种情况下，以西欧为中观察自然现象正是在这种情况下，以西欧为中心，从事七八种专业的十多位科学家，分别通过心，从事七八种专业的十多位科学家，分别通过不同的途径，各自独立地发现了能量守恒原理不同的途径，各自独立地发现了能量守恒原理三三. 几位科学家的工作几位科学家的工作1. 迈尔的工作迈尔的工作2. 亥姆霍兹的工作亥姆霍兹

18、的工作3. 焦耳的工作焦耳的工作4. 4. 其他科学家的工作其他科学家的工作1. 迈尔的工作迈尔的工作 18401840年，年，罗伯特罗伯特迈尔迈尔(RobertMayer(RobertMayer，1814-1814-1878)1878)在一艘荷兰船上当随船医生在船从苏腊巴亚在一艘荷兰船上当随船医生在船从苏腊巴亚驶近爪哇时，迈尔发现驶近爪哇时，迈尔发现患病船员的静脉血比在欧洲时患病船员的静脉血比在欧洲时红一些红一些，在拉瓦锡的燃烧理论的启示下，他想到在热，在拉瓦锡的燃烧理论的启示下，他想到在热带高温的情况下人体只需从食物中吸收较少的热量，带高温的情况下人体只需从食物中吸收较少的热量，这使人体中

19、食物的氧化过程减弱，因而在静脉血中留这使人体中食物的氧化过程减弱，因而在静脉血中留下了较多的氧这个现象促使迈尔去思考各种自然力下了较多的氧这个现象促使迈尔去思考各种自然力之间的相互转化之间的相互转化 18411841年航行结束后，迈尔将自己的发现写成一篇论年航行结束后，迈尔将自己的发现写成一篇论文寄给德国权威性刊物文寄给德国权威性刊物物理学和化学年刊物理学和化学年刊由于缺由于缺少精确的实验根据以及迈尔在数学和物理学知识上的缺少精确的实验根据以及迈尔在数学和物理学知识上的缺陷，这篇论文没有获得发表这激励迈尔发奋自学了数陷，这篇论文没有获得发表这激励迈尔发奋自学了数学和物理学，重新写成了学和物理学

20、，重新写成了论无机界的力论无机界的力，被发表在，被发表在化学和药学年刊化学和药学年刊18421842年年5 5月号上在这篇论文中，月号上在这篇论文中，迈尔从哲学的角度得出了迈尔从哲学的角度得出了“力就是不灭的、能转化的、力就是不灭的、能转化的、无重量的客体无重量的客体”的结论他所说的的结论他所说的“力力”在当时就是指在当时就是指 “能量能量”迈尔以迈尔以“下落力下落力”( (重力势能重力势能) )、运动的、运动的“力力”( (动能动能) )和热的转化具体论证了力的转化和守恒和热的转化具体论证了力的转化和守恒 18541854年，迈尔自费出版了年，迈尔自费出版了论有机运动与新陈代谢论有机运动与新

21、陈代谢，在这篇论文中，他首先肯定了在这篇论文中，他首先肯定了力的转化与守恒定律是支配宇力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律宙的普遍规律接着迈尔考察了接着迈尔考察了5 5种不同形式的种不同形式的“力力”，即，即“运动的力运动的力”、“下落力下落力”、“热热”、“电电”和和“化学力化学力”，描述了运动转化的描述了运动转化的2525种情况，做出了否定热质和其他无重流种情况，做出了否定热质和其他无重流质的结论质的结论 迈尔根据当气体的温度发生确定的变化时，定压过程中迈尔根据当气体的温度发生确定的变化时，定压过程中吸收的热量大于定容过程中吸收的热量的事实，计算出热功吸收的热量大于定容过程中吸收的热量的

22、事实，计算出热功当量的数值为当量的数值为J=365J=365千克米千克米/ /干卡，相当于干卡，相当于J=3.48J=3.48焦耳焦耳/ /卡卡这这个计算方法实际上就是后来所说的迈尔公式个计算方法实际上就是后来所说的迈尔公式C CP P-C-CV V=R=R的另一种的另一种形式形式 迈尔还把自然力的转化与守恒原理推广到生迈尔还把自然力的转化与守恒原理推广到生物机体中，指出了在机体内发生着化学力转化为物机体中，指出了在机体内发生着化学力转化为其他自然力的复杂过程，并说明地球上的各种力其他自然力的复杂过程，并说明地球上的各种力都是太阳供给的，如植物把太阳的光和热转化为都是太阳供给的，如植物把太阳的

23、光和热转化为化学力，动物通过消化食物又把这种化学力转化化学力，动物通过消化食物又把这种化学力转化为体热和肌肉运动的机械力为体热和肌肉运动的机械力2. 亥姆霍兹的工作亥姆霍兹的工作 1847年，德国科学家年，德国科学家亥姆霍兹亥姆霍兹(Hermann Helmholtz，1821-1894)自费出版了自费出版了论力的守恒论力的守恒这一著名的著作，这一著名的著作，从物理假设和已有的物理理论出发，导出可与经验相比从物理假设和已有的物理理论出发，导出可与经验相比较的结论，论证了能量守恒原理较的结论，论证了能量守恒原理 在在“导言导言”中，亥姆霍兹首先提出了建立能量守恒原中，亥姆霍兹首先提出了建立能量守

24、恒原理的两个出发点：理的两个出发点：“或者从不可能借自然界物体的任何或者从不可能借自然界物体的任何组合的作用而获得无限量作功的力这一原理出发；或者组合的作用而获得无限量作功的力这一原理出发；或者假定自然界中一切作用都可以归结为引力和斥力，其强假定自然界中一切作用都可以归结为引力和斥力，其强度仅取决于相互作用的质点间的距离度仅取决于相互作用的质点间的距离” 亥姆霍兹认为自然科学的基本任务就在于亥姆霍兹认为自然科学的基本任务就在于 “把自把自然界种种现象归结为固定不变的吸力或斥力，它们的强然界种种现象归结为固定不变的吸力或斥力，它们的强度取决于距离度取决于距离”他指出他指出：“某质点在有心力作用下

25、位某质点在有心力作用下位移时，其活力的增加等于与它距离的改变相对应的张力移时，其活力的增加等于与它距离的改变相对应的张力的总和的总和” 亥姆霍兹证明了这种力的保守性同永动机的不可能亥姆霍兹证明了这种力的保守性同永动机的不可能实现彼此是同一的，并得出了更普遍的实现彼此是同一的，并得出了更普遍的“力的守恒原力的守恒原理理”：“当自由质点在引力和斥力当自由质点在引力和斥力 ( (它们的值取决于距它们的值取决于距离离) )的作用下而运动的一切场合，所具有的活力和张力的的作用下而运动的一切场合，所具有的活力和张力的总和是守恒的总和是守恒的” 亥姆霍兹具体研究了能量守恒原理在各种物亥姆霍兹具体研究了能量守

26、恒原理在各种物理、化学过程中的应用，指出，理、化学过程中的应用，指出，在万有引力作在万有引力作用下产生的一切运动用下产生的一切运动( (包括天体的运动和地球上包括天体的运动和地球上有重物体的运动有重物体的运动) )，用不可压缩的固体或液体传，用不可压缩的固体或液体传递的运动递的运动( (如由简单机械所传递和改变的运动如由简单机械所传递和改变的运动) )，完全弹性固体或液体的运动完全弹性固体或液体的运动 ( (包括菲涅耳用活包括菲涅耳用活力守恒定律导出光的折射和偏振力守恒定律导出光的折射和偏振) )，波的吸收和，波的吸收和辐射热等，都符合辐射热等，都符合 “力的守恒原理力的守恒原理” 亥姆霍兹通

27、过非弹性碰撞、摩擦等过程研亥姆霍兹通过非弹性碰撞、摩擦等过程研究了究了“热的力当量热的力当量”，指出在这些情况下，如果，指出在这些情况下，如果发生了活力的损失，那就会产生其他形式的发生了活力的损失，那就会产生其他形式的“力力”，首先是热因此，首先是热因此，“热的数量可以通过热的数量可以通过机械力来使之增加，因此，热现象不可能用一种机械力来使之增加，因此，热现象不可能用一种物质推论出来，不可能以这种物质的存在为条件，物质推论出来，不可能以这种物质的存在为条件，而只能从某些熟知的有质体的变化和运动中，或而只能从某些熟知的有质体的变化和运动中，或者是从无质体如电或以太的变化或运动中推论出者是从无质体

28、如电或以太的变化或运动中推论出来来” 亥姆霍兹还分析了亥姆霍兹还分析了电和磁电和磁的现象，得出了不同情况的现象，得出了不同情况下能量的表达式；并从力的守恒原理出发，下能量的表达式；并从力的守恒原理出发，否定否定了长期了长期以来引起激烈争论的关于伽伐尼电流的来源的以来引起激烈争论的关于伽伐尼电流的来源的“接触接触说说” 在论文的最后一部分，亥姆霍兹讨论了把在论文的最后一部分，亥姆霍兹讨论了把力的守恒原力的守恒原理应用到生物机体中去的可能性理应用到生物机体中去的可能性 这样，亥姆霍兹就系统地证明了这样，亥姆霍兹就系统地证明了力的守恒定律力的守恒定律 “ “与与自然科学中任何一个已知现象都不矛盾自然

29、科学中任何一个已知现象都不矛盾”，他确信，他确信 “ “这这个定律的完全证实将是不远的未来物理学家们的基本任个定律的完全证实将是不远的未来物理学家们的基本任务之一务之一”3. 焦耳的工作焦耳的工作 焦耳焦耳 (JaneSPreSCottJoule，1818一一1889)关于关于热功当量的测量，为能量守恒原理的确立奠定了热功当量的测量，为能量守恒原理的确立奠定了坚实的实验基础坚实的实验基础 焦耳是英国曼彻斯特一个富有的酿酒商和业焦耳是英国曼彻斯特一个富有的酿酒商和业余科学家余科学家1837年，焦耳在工厂装配了用电池驱年，焦耳在工厂装配了用电池驱动的磁电机，并对它进行了多方面的实验测试动的磁电机，

30、并对它进行了多方面的实验测试 在测试中焦耳注意到在测试中焦耳注意到电机和电路中的发热现象电机和电路中的发热现象，他想到，他想到这和机器中的摩擦生热一样，都是动力损失的来源，这促使这和机器中的摩擦生热一样，都是动力损失的来源，这促使他他对电流的热效应进行了定量研究对电流的热效应进行了定量研究他在玻璃管中装入水银，他在玻璃管中装入水银，通以强弱不同的电流，测出一定时间内相应的温度变化，从通以强弱不同的电流，测出一定时间内相应的温度变化，从而发现了而发现了导体的发热量与电流强度的平方成正比导体的发热量与电流强度的平方成正比他又利用他又利用不同尺寸的导体进行实验，发现不同尺寸的导体进行实验，发现一定的

31、电流在一定的时间内一定的电流在一定的时间内产生的热量与导体的电阻成正比产生的热量与导体的电阻成正比 在在18401840年写出的年写出的论伏打电所产生的热论伏打电所产生的热的论文中，焦的论文中，焦耳得出了耳得出了“在一定时间内伏打电流通过金属导体产生的热与在一定时间内伏打电流通过金属导体产生的热与电流强度的平方和导体电阻的乘积成正比电流强度的平方和导体电阻的乘积成正比”的结论的结论 18411841年焦耳又写了年焦耳又写了电解时在金属导体和电池组中放电解时在金属导体和电池组中放出的热出的热一文，得出结论说，一文，得出结论说，电路中所放出的热量和电池电路中所放出的热量和电池中化学变化所产生的热量

32、正好相等中化学变化所产生的热量正好相等；电流的机械动力和产电流的机械动力和产生热的能力都与电流强度有相同的比例关系，所以二者成生热的能力都与电流强度有相同的比例关系，所以二者成正比正比这里焦耳已经接近了热、电、化学能的等价性的概这里焦耳已经接近了热、电、化学能的等价性的概念念 焦耳想到，磁电式发电机的感生电流应该与来自化学焦耳想到，磁电式发电机的感生电流应该与来自化学电源的电流一样地产生热效应焦耳使一个线圈在电磁体电源的电流一样地产生热效应焦耳使一个线圈在电磁体的两极之间转动产生感应电流，线圈放在量热器内的两极之间转动产生感应电流，线圈放在量热器内这个这个实验完全证实了实验完全证实了热可以由磁

33、电机产生热可以由磁电机产生 焦耳从这个实验立即领悟到焦耳从这个实验立即领悟到热和机械功热和机械功可以互相转化，可以互相转化，在转化过程中遵从一定的当量关系在转化过程中遵从一定的当量关系 焦耳焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条线，跨过两个定在磁电机线圈的转轴上绕两条线，跨过两个定滑轮后挂上几磅重的硅码，由珐码的重量和下落距离可滑轮后挂上几磅重的硅码，由珐码的重量和下落距离可以计算出所做的功以计算出所做的功焦耳共做了焦耳共做了1313组实验，得出了一个组实验，得出了一个平均结果平均结果:“:“能使能使1 1磅水的温度升高华氏磅水的温度升高华氏1 1度的热量，等于度的热量，等于( (并可转化为并可转化为

34、) )把把838838磅重物提升磅重物提升1 1英尺的机械功英尺的机械功”这个值这个值相当于相当于460460干克米干克米/ /千卡这个结果被总结到他千卡这个结果被总结到他18431843年年8 8月月2121日宣读的日宣读的论磁电的热效应和热的机械值论磁电的热效应和热的机械值论文中论文中 18441844年，焦耳又做了年，焦耳又做了测定空气在压缩和膨胀时产生测定空气在压缩和膨胀时产生的热量变化的实验的热量变化的实验，求得了热功当量的平均值，求得了热功当量的平均值798798磅码磅码/ /英热单位英热单位 焦耳焦耳设计了一个这样的实验：设计了一个这样的实验：使一个绕在铁芯上的小使一个绕在铁芯上

35、的小线圈在一电磁体的两极间转动，由一两个滑轮挂以适当重线圈在一电磁体的两极间转动，由一两个滑轮挂以适当重量的砝码带动，把线圈放进一个盛水的量热器里以测定水量的砝码带动，把线圈放进一个盛水的量热器里以测定水温升高所获得的热量温升高所获得的热量 实验结果：实验结果： 磁电机的线圈所磁电机的线圈所生成的热量正比于电流的平生成的热量正比于电流的平方水温的方水温的 升高完全是由于机械升高完全是由于机械能转化为电，电又转化为热量的能转化为电，电又转化为热量的结果结果.最后测得热功当量大约为最后测得热功当量大约为:460千克米千克米/千卡千卡 18471847年年6 6月，在牛津举行的英国科学月，在牛津举行

36、的英国科学促进协会的会议上，焦耳报告了他促进协会的会议上，焦耳报告了他用珐码用珐码下落带动铜制的翼轮分别搅动水、鲸脑油下落带动铜制的翼轮分别搅动水、鲸脑油和水银的实验，和水银的实验，测得热的机械当量分别为测得热的机械当量分别为781.5781.5磅码磅码/ /英热单位、英热单位、782.1782.1磅码磅码/ /英热单英热单位和位和787.6787.6磅码磅码/ /英热单位英热单位 实验仪器实验仪器 18491849年年6 6月月2121日，焦耳在论文日，焦耳在论文论热的机械当量论热的机械当量中，全面地整理了他中，全面地整理了他用摩擦水、水银和铸铁的方法用摩擦水、水银和铸铁的方法测定热功当量的

37、实验结果测定热功当量的实验结果，最后得出两个重要结论，最后得出两个重要结论: : 第一，由物体第一，由物体( (不论固体或液体不论固体或液体) )的摩擦所产生的的摩擦所产生的热量总是与所消耗的力之量成正比；热量总是与所消耗的力之量成正比； 第二，要使第二，要使1 1磅水磅水 ( (在真空中和在真空中和55550 0F F60600 0F F时称量时称量) )的温度升高的温度升高l l0 0F F ，需要消耗相当于使，需要消耗相当于使772772磅的重物下磅的重物下落落1 1英尺的机械力英尺的机械力 焦耳测定热功当量的工作从焦耳测定热功当量的工作从18401840年年一直进行一直进行187818

38、78年年，用了近，用了近4040年年的时间，先后采用不同的方法的时间，先后采用不同的方法做了做了400400多次多次实验，以精确的数据为能量守恒原理实验，以精确的数据为能量守恒原理提供了无可置疑的实验证明提供了无可置疑的实验证明18501850年，焦耳当选为年，焦耳当选为英国皇家学会会员英国皇家学会会员 4. 4. 其他科学家的工作其他科学家的工作 除迈尔、亥姆霍兹和焦耳之外，这一时期还有除迈尔、亥姆霍兹和焦耳之外，这一时期还有不少人进行了同一问题的探索不少人进行了同一问题的探索 S.S.卡诺在卡诺在18301830年己经认识到热质说的错误，认年己经认识到热质说的错误，认识到热是识到热是“改变

39、了形式的运动改变了形式的运动”，热的损失必定有，热的损失必定有动力的产生他由此得出一个普遍的命题动力的产生他由此得出一个普遍的命题: :在自然在自然界中存在的动力，在量上是不变的界中存在的动力，在量上是不变的他还给出热功他还给出热功当量的数值当量的数值: :370370千克米千克米/ /千卡千卡卡诺的这个发现的卡诺的这个发现的遗稿在遗稿在18781878年才被公布年才被公布 英国律师英国律师格罗夫格罗夫(WilliamRobertGrove,l8u一一1896)于于1842年年从电的研究中认识到一切物理力，甚至包括从电的研究中认识到一切物理力，甚至包括化学力，在一定的条件下都可以相互转化而不发

40、生任化学力，在一定的条件下都可以相互转化而不发生任何损失何损失 丹麦工程师丹麦工程师柯尔丁柯尔丁 (Ludwig AuguStColding,1815-1888)于于1843年也提出了他用摩擦实验测定热功当量的年也提出了他用摩擦实验测定热功当量的报告，他同样得到了力的守恒的结论报告，他同样得到了力的守恒的结论 这样，从这样，从1919世纪世纪3030年代到年代到5050年代，许多人彼此独立年代，许多人彼此独立地以不同的形式提出了能量守恒的思想这一重要发地以不同的形式提出了能量守恒的思想这一重要发现，生动地表明了科学的发展受到社会生产发展和科现，生动地表明了科学的发展受到社会生产发展和科学内在逻

41、辑发展规律的制约学内在逻辑发展规律的制约 四四. 能量转化与守恒定律的确立能量转化与守恒定律的确立 18401840年，彼得堡科学院的年，彼得堡科学院的黑斯黑斯 (GHHeSS(GHHeSS，1802-1850)1802-1850)提出了关于化学反应中释放热量的重要定提出了关于化学反应中释放热量的重要定律这个定律指出，律这个定律指出，在一组物质转变为另一组物质的在一组物质转变为另一组物质的过程中，不管反应是通过哪些步骤完成的，释放的总过程中，不管反应是通过哪些步骤完成的，释放的总热量是恒定的热量是恒定的这个定律已经接触到化学反应中的能这个定律已经接触到化学反应中的能量守恒原理量守恒原理 185

42、31853年，年，W.W.汤姆孙汤姆孙重新恢复了重新恢复了“能量能量”概念，概念，并给予它一个精确的定义并给予它一个精确的定义：“我们把给定状态中的我们把给定状态中的物质系统的能量表示为，当它从这个给定状态无论物质系统的能量表示为，当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用的总外所产生的用机械功单位来量度的各种作用的总和和” 格拉斯哥的力学教授格拉斯哥的力学教授兰金兰金(William John (William John Rank-ineRank-ine，18201820一一1872)1

43、872)就首先把就首先把“力的守恒原理力的守恒原理”改称为改称为“能量守恒原理能量守恒原理”，大约到了，大约到了18601860年左右，年左右，这个原理才得到普遍承认，而且很快成为物理学和这个原理才得到普遍承认，而且很快成为物理学和全部自然科学的重要基石全部自然科学的重要基石 在能量守恒定律的发现过程中，在能量守恒定律的发现过程中，热和机械功的转热和机械功的转化与守恒关系的研究化与守恒关系的研究起到了直接和关键性的作用在迈起到了直接和关键性的作用在迈尔和焦耳的对热功当量的研究之后，物理学家主要展开尔和焦耳的对热功当量的研究之后，物理学家主要展开了两个方面的工作一方面是继续测定和计算热功当量；了

44、两个方面的工作一方面是继续测定和计算热功当量；另一方面则是从热功转化和守恒关系出发，深入研究热另一方面则是从热功转化和守恒关系出发，深入研究热功转化的机制与规律性功转化的机制与规律性德国物理学家德国物理学家克劳修斯克劳修斯 (R.E.Clausius，1822-1888)着眼于热功转化过程中介质着眼于热功转化过程中介质 ( (主要是空气和水蒸气主要是空气和水蒸气) )的做功，即从功的角度进行研的做功，即从功的角度进行研究究 18501850年，年，克劳修斯克劳修斯在发表在发表论热的动力和可由此推论热的动力和可由此推导热学本身的定律导热学本身的定律的论文中，从热是物质的粒子的一的论文中，从热是物

45、质的粒子的一种运动的观点提出热功转化过程中，种运动的观点提出热功转化过程中，一部分热量可转化一部分热量可转化为机械功，并可用力学原理进行推导和计算为机械功，并可用力学原理进行推导和计算；另一部分；另一部分热量由热体向冷体传导，而使冷体的温度升高热量由热体向冷体传导，而使冷体的温度升高前一部前一部分的热量消失，以机械功的形式表现出来分的热量消失，以机械功的形式表现出来；后一部分的；后一部分的热量并未消失，而是传导到冷体上去了通过这样的分热量并未消失，而是传导到冷体上去了通过这样的分析，克劳修斯在热转化为机械功的基础上建立了析，克劳修斯在热转化为机械功的基础上建立了热力学热力学第一定律第一定律: :在一切热作功的情况中，产生的功与消耗的在一切热作功的情况中，产生的功与消耗的热量成比例反之，通过消耗同样大小的功，将能产生热量成比例反之，通过消耗同样大小的功，将能产生同样数量的热量同样数量的热量 在论文中，在论文中，克劳修斯克劳修斯从热是运动的观点对热机的工从热是运动的观点对热机的工作过程进行了新的分析：作过程进行了新的分析：把迈尔、焦耳关于热功当量的把迈尔、焦耳关于热功当量的结论和卡诺关