韋中燊

(北京市大興區(qū)第一中學(xué) 北京 102600)

劉 靜

(北京市和平街第一中學(xué) 北京 100012)

能量轉(zhuǎn)化與守恒定律是物理學(xué)，乃至整個自然科學(xué)領(lǐng)域之中最重要、最基礎(chǔ)的定律之一，是19世紀物理學(xué)最偉大的概括．19世紀40年代以前，自然科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)為能量轉(zhuǎn)化與守恒定量的建立奠定了堅實的事實基礎(chǔ)．但是，依然有很多來自于思想慣性的困難阻隔在諸多科學(xué)家成功建立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的道路上．焦耳，作為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律重要的確立者之一，用他設(shè)計巧妙、角度全面、數(shù)據(jù)精準的熱功當(dāng)量實驗為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立奠定了堅實的實驗基礎(chǔ)．

1 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律建立過程中的矛盾局勢

1.1 工業(yè)革命引發(fā)的局勢

工業(yè)革命引發(fā)的機械發(fā)展為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的建立創(chuàng)造了有利的局勢.

物理學(xué)的發(fā)展史上，能量轉(zhuǎn)化與守恒定律幾乎是唯一一個涉及到多學(xué)科領(lǐng)域的存在，它建立的準備基礎(chǔ)也因此變得十分雄厚而堅實，顯然，這樣的堅實基礎(chǔ)應(yīng)該歸功于那個特殊的時代和諸多有識之士的共同努力．

(1)力學(xué)方面，機械能守恒是能量守恒定在機械運動中的特殊形式

(2)化學(xué)和生物學(xué)方面

法國的拉瓦錫和拉普拉斯發(fā)現(xiàn)了動物吃下去的食物發(fā)出的動物熱與這些食物直接燃燒后放出的熱近似相等．德國化學(xué)家李比希的學(xué)生莫爾則從理論上提出不同形式的“力”(當(dāng)時把能量都稱為力)都是機械“力”的表現(xiàn)．

(3)熱學(xué)方面的準備主要體現(xiàn)在對熱質(zhì)說的實驗反駁上

18世紀末，倫福德伯爵做了一系列摩擦生熱的實驗，得出了摩擦可以生熱的重要結(jié)論．1799年，英國化學(xué)家戴維在《論熱、光及光的復(fù)合》一文中介紹了冰塊摩擦實驗，進一步證明了摩擦生熱認識的正確性，也為熱功當(dāng)量認識的提出提供了有說服力的實驗事實．

(4)電磁學(xué)方面，大量基本規(guī)律的發(fā)現(xiàn)也啟發(fā)人們朝著統(tǒng)一性和等價性的方向思考過去

尤其是法拉第，他尤為強調(diào)各種“自然力”的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)化．法拉第在一篇論文中寫道：“物質(zhì)的力所處的不同形式很明顯有一個共同的起源，換句話說，是如此直接地聯(lián)系著和互相依賴著，以至于可以互相轉(zhuǎn)換，并在其行動中，力具有守恒性．”顯然，法拉第提到的“自然力”，其實就是能量概念在當(dāng)時的一種說法．法拉第的這個認識，對于能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的建立具有非常重要的意義．1821年塞貝克發(fā)現(xiàn)的溫差電現(xiàn)象和1840年焦耳發(fā)現(xiàn)的電流熱效應(yīng)定律，更是給能量轉(zhuǎn)化提供了定量的實驗證明．

(5)邁耶和亥姆霍茲的研究

對能量轉(zhuǎn)化與守恒定律做出明確敘述的，首先要提到3位科學(xué)家．他們分別是德國的邁耶、亥姆霍茲和英國的焦耳．

邁耶是一位醫(yī)生，他通過思考人靜脈血液和動脈血液顏色不同的原因，認識到了生物體內(nèi)能量的輸入和輸出是平衡的．1842年，邁耶在《論無機自然界的力》中提出了熱和機械能的相當(dāng)性和可轉(zhuǎn)換性．1845年，他又在《有機運動及其與新陳代謝的聯(lián)系》中系統(tǒng)地闡述了能量轉(zhuǎn)化與守恒的思想．邁耶具體考察了另外幾種不同形式的力，他以起電機為例說明了“機械效應(yīng)向電的轉(zhuǎn)化”．他認為：“下落的力”(即重力勢能)可以用“重量和(下落)高度的乘積來量度”，“與下落的力轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動或者運動轉(zhuǎn)變?yōu)橄侣涞牧o關(guān)，這個力或機械效應(yīng)始終是不變的常量”．邁耶第一個完整地提出了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律．

亥姆霍茲的功勞是從多方面論證了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律．1847年，26歲的亥姆霍茲完成了論文《力的守恒》，充分論證了所有的“力”都應(yīng)和機械“力”具有相同的量綱這個觀點．歷史證明，亥姆霍茲的這篇論文在熱力學(xué)發(fā)展歷史上有著十分重要的地位，因為他把能量概念推廣到了所有變化過程，證明了能量轉(zhuǎn)化守恒的普遍性．

1.2 思想慣性帶來的困擾

思想慣性給能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立帶來的阻力與困擾.

客觀地講，焦耳進行熱功當(dāng)量實驗所遇到的困難，其實并不是實驗本身，而是在于當(dāng)時外在的大環(huán)境．世界上的能量是可以轉(zhuǎn)化的，世界上的能量是不變的，關(guān)于能量轉(zhuǎn)化與守恒的樸素認識雖然很早就出現(xiàn)了，但是卻并沒有得到人們的重視．甚至，就是邁耶、焦耳和亥姆霍茲這3位在能量轉(zhuǎn)化與守恒定律建立過程中起到了關(guān)鍵作用的人物，他們也沒有能夠逃脫被思想慣性阻隔的命運，有人被冷遇，有人甚至直接被忽視掉了．

(1)邁耶的不幸

邁耶雖然被認為是第一個完整地提出了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的人，但是他并沒有能夠在他活著的時候獲得應(yīng)有的重視和尊重．1842年，他成功地寫出了論文《論無機自然界的力》．但是，當(dāng)時波根多夫《年鑒》卻拒絕發(fā)表這篇論文．后來，《年鑒》的李比希雖然同意發(fā)表了這篇文章，但是其中的觀點卻并沒有引起人們的注意．而這篇文章中的重要觀點就是世界上的能量是不變的，這其實就是能量守恒的一種表述．1845年，邁耶的第二篇論文更是自己掏了相關(guān)的費用才獲得了發(fā)表的機會．但是，即便是這樣，邁耶文章中的一些觀點還是遭到了一些無情的諷刺和挖苦．一個叫做約里的人曾經(jīng)用嘲諷的口氣說，如果邁耶的理論是正確的，那么就意味著水能夠被晃動而加熱．邁耶曾因為自己的思想得不到認可而自殺，后來又被送進了瘋?cè)嗽海梢哉f，在當(dāng)時的德國，真正肯定邁耶的人，極少極少．

(2)焦耳的不幸與幸運

相對于邁耶來說，焦耳無疑是幸運的，雖然，他所做的熱功當(dāng)量實驗和所得到的結(jié)論也同樣遇到了曲折．焦耳從1843年開始進行熱功當(dāng)量實驗并且很快有了結(jié)果，但是，一直到1847年的時候，他關(guān)于這方面的研究成果還面臨著遭受冷遇的尷尬．1847年4月，焦耳曾經(jīng)在曼徹斯特做了一個科普性質(zhì)的演講，所講的內(nèi)容就是有關(guān)能量的普適守恒原理．很尷尬的是，當(dāng)?shù)氐膱蠹堥_始的時候?qū)苟倪@個演講根本就沒有理睬，甚至有一家報社還拒絕報道這件事情．1847年6月，相同的論題又被提呈到英國協(xié)會的牛津會議上．大會主席居然建議讓作者來做一個簡要的報告就行了，沒有必要就此問題展開進一步的討論．說焦耳幸運，也是在這次會議上，恰巧年輕的威廉·湯姆孫正好在場，他敏銳地意識到了焦耳所提及觀點的重要性，并果斷地站出來為焦耳吶喊助威，一下子引起了眾人對這個新思想的濃厚興趣．結(jié)果，焦耳的這篇論文引起了轟動，焦耳本人也終于引起了科學(xué)界的注意．

(3)亥姆霍茲的遭遇

1847年，當(dāng)焦耳終于引起了科學(xué)界的關(guān)注的時候，亥姆霍茲也在德國柏林物理學(xué)會宣讀了同樣課題的論文．亥姆霍茲的論文題目是《活力的守恒》，討論的也是能量的事情．當(dāng)時的亥姆霍茲只有26歲，他的這篇論文宣讀之后，被很多科學(xué)家認為是異想天開的思辨．曾經(jīng)在1843年拒絕了邁耶論文的波根多夫《年鑒》這一次又拒絕了亥姆霍茲的論文．無奈之下，在朋友的支持下，亥姆霍茲只好自己掏錢把論文印成小冊子散發(fā)出去，希望更多人有機會接觸到它．但是，開始的一段時間里，效果并不是很好．1853年的時候，小冊子還受到了克勞修斯的強烈抨擊．后來，更是有人惡毒攻擊亥姆霍茲，說他是一個不誠實的剽竊者，他的觀點不過是從邁耶那里剽竊過來的．而事實上，亥姆霍茲和焦耳一樣，他們在1847年的時候，都并不知道邁耶的工作．焦耳也是在1847年的牛津會議之后，在與湯姆孫的交流之中，才知道了邁耶和卡諾等人的工作的．

2 焦耳的偉大實驗創(chuàng)新

面對能量轉(zhuǎn)化與守恒定律建立過程中的矛盾局勢，焦耳的偉大創(chuàng)新，或者說偉大的功績就在于他堅持不懈地用將近40年的時間去不斷地進行各種形式的熱功當(dāng)量實驗，用鐵一般的事實去支持和支撐著偉大定律的最終確立．正所謂凡事有果，則必然有因．下面，我們不妨循著這條因果線去了解一些焦耳進行熱功當(dāng)量實驗的歷史進程．

2.1 焦耳與焦耳定律的發(fā)現(xiàn)

焦耳是英國著名的實驗物理學(xué)家，做實驗是他最大的興趣，他經(jīng)常在自己家里做各種實驗，這樣的經(jīng)歷不僅為他順利完成熱功當(dāng)量實驗提供了經(jīng)驗支持，也成了他能夠不斷地創(chuàng)新實驗手段，改進實驗思路，實現(xiàn)精密測量的重要保障．

焦耳出生于1818年，1838年的時候，他剛剛20歲．從這一年開始，焦耳對革新動力設(shè)備產(chǎn)生了濃厚的興趣，投入到了電氣熱潮之中，開始研究起磁電機來．從1838年到1842年期間，焦耳一共寫了8篇相關(guān)的論文．在這些論文中，焦耳已經(jīng)注意到了電機和電路中的發(fā)熱現(xiàn)象，而且他還認為這種現(xiàn)象與機件運轉(zhuǎn)中的摩擦現(xiàn)象一樣，都是動力損失的根源．在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，焦耳開始了電流熱效應(yīng)的研究．

1941年，焦耳發(fā)表了文章《電的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的熱和電解時電池組中的熱》，介紹了研究電流熱效應(yīng)的實驗，并得出了“在一定時間內(nèi)伏打電流通過金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的熱與電流強度的平方及導(dǎo)體電阻的乘積成正比”．

2.2 了不起的熱功當(dāng)量實驗

電流發(fā)熱、摩擦生熱、燃燒放熱等熱現(xiàn)象的認知基礎(chǔ)上，焦耳逐漸意識到這些熱之間應(yīng)該存在著等價性．這種等價性最有力的證據(jù)，正是熱功當(dāng)量實驗的直接數(shù)據(jù)結(jié)果．

18世紀末，人們認識了熱與運動有關(guān)．這為后來焦耳研究熱與功的關(guān)系開辟了道路．焦耳認為熱量和功應(yīng)當(dāng)有一定的當(dāng)量關(guān)系，即熱量的單位卡和功的單位焦耳間有一定的數(shù)量關(guān)系．熱功當(dāng)量是自然界中非常重要的常數(shù)，測定它的意義在于明確功與熱之間的定量關(guān)系，起到的是構(gòu)建橋梁的作用．定量關(guān)系的存在，是普適規(guī)律性的重要體現(xiàn)，它能夠說明功與熱這兩者在本質(zhì)上具有一致性．

1843年，焦耳從探索磁電機中熱的損耗問題開始了他漫長的熱功當(dāng)量實驗驗證過程．在近40年的時間里，焦耳做了400多個不同的實驗．

(1)從磁電機線圈發(fā)熱到堪稱經(jīng)典的槳葉攪拌法

焦耳在磁電機線圈的轉(zhuǎn)軸上繞兩條細線，如圖1所示，相距大約27.4 m處安裝兩個定滑輪，細線跨過滑輪后掛著鉤碼，每個鉤碼約幾磅重(1磅=0.453 59千克)，鉤碼的數(shù)量可以隨意增減．磁電機的線圈被浸沒在量熱器的水中，利用插入水中的溫度計的示數(shù)可以直接算出線圈放出的熱量，利用鉤碼的重量與其下落距離可以算出所做的機械功．利用這組儀器，焦耳多次實驗之后，得到了熱功當(dāng)量的第一個定量關(guān)系：能使1磅水的溫度上升華氏1度所需要的熱量等于把838磅重物提升1英尺所做的機械功．838磅乘以1英尺，相當(dāng)于1 135焦耳，由此得到的熱功當(dāng)量數(shù)值折合成現(xiàn)在的國際單位就等于4.511焦耳/卡，而現(xiàn)代公認的標準值則為4.187焦耳/卡，兩者已經(jīng)非常接近．

圖1 槳葉攪拌法實驗裝置示意圖

焦耳關(guān)于熱功當(dāng)量的實驗探索并沒有就此止步，1845年他又進一步改進了實驗方案和實驗設(shè)備．他在量熱器中安裝了一個帶有槳葉的轉(zhuǎn)輪，當(dāng)兩邊通過滑輪懸掛的重物下降的時候，就會帶動輪槳旋轉(zhuǎn)，不斷地攪動水從而使水升溫．通過這個實驗，焦耳測量到的熱功當(dāng)量數(shù)值相當(dāng)于4.782焦耳/卡．

(2)空氣壓縮與膨脹法

同樣在1845年，焦耳又設(shè)計并進行了另外一個實驗．如圖2所示，把一個帶有容器R的壓氣機C放在作為量熱器的水桶A中．氣壓機把經(jīng)過干燥器G和蛇形管W的空氣壓縮到容器R之中，然后測量空氣壓縮后的溫度變化情況，進而從溫度變化中計算出空氣吸收的熱量．氣壓從一個大氣壓上升到22個大氣壓，整個壓縮過程可視為絕熱過程，另外再計算出壓氣機所做的功之后，這個過程的熱功當(dāng)量數(shù)值就能夠計算出來了．然后，焦耳又馬上做了釋放壓縮空氣的實驗．壓縮空氣通過蛇形管被釋放出來之后，量熱器的溫度就會隨之下降．利用這個過程，焦耳又得到了一系列的熱功當(dāng)量數(shù)值．多次平均之后，焦耳借助這個空氣壓縮和膨脹實驗得到了相當(dāng)于4.312焦耳/卡的熱功當(dāng)量數(shù)值．

圖2 空氣膨脹和壓縮法實驗裝置示意圖

焦耳從1843年以磁電機為對象開始測量熱功當(dāng)量，一直到1878年最后一次發(fā)表實驗結(jié)果，先后做了400多次實驗，采取了各種涉及到了不同原理的方法，殊途同歸，以日益精確的數(shù)據(jù)，為熱和功相當(dāng)性提供了可靠的證據(jù)，為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立提供了堅實的實驗支持．焦耳在熱功當(dāng)量實驗之中采用了多種不同的方法，這里當(dāng)然包含了豐富的創(chuàng)新元素．但是，就焦耳的出發(fā)點而言，他并不是為了所謂的創(chuàng)新，而是為了能夠得到更為精確的當(dāng)量數(shù)值．除此之外，采用不同的方案，焦耳還有另外一層考慮，那就是希望借此證明功與熱之間等價性的普適性，因為他始終堅信宇宙是和諧的、統(tǒng)一的這一哲學(xué)觀點．

3 焦耳熱功當(dāng)量實驗的歷史啟示與現(xiàn)實啟示

焦耳熱功當(dāng)量實驗的準確測定，為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立奠定了堅實的基礎(chǔ)．回歸焦耳整個實驗的過程，啟示良多．

第一，興趣是科學(xué)家從事專注科學(xué)研究的重要動力源之一．焦耳能夠堅持30多年的時間，用400多個實驗做同一個研究，其對科學(xué)實驗的興趣是支持下不懈地工作下去的重要因素．

第二，注重思想觀念引領(lǐng)，體現(xiàn)科學(xué)的堅持精神和堅韌品質(zhì)．能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的獲得，是在宇宙是和諧的、統(tǒng)一的、簡單的，自然界規(guī)律是可知的思想觀念指引下實現(xiàn)的．同樣也是這樣的思想觀念，引領(lǐng)焦耳不惜用30多年的時間，做了400多次同一目的的實驗．

第三，善于嘗試不同的實驗方法，大膽進行自我革新和自我創(chuàng)新提升．焦耳的熱功當(dāng)量實驗一共做了400多次，涉及的實驗方案和原理種類繁多，即便是同一個方案之中，也會采用不同的材質(zhì)進行相互的對比，以尋求最佳的實驗結(jié)果．顯然，焦耳這樣做不僅是為了得到更加精確的實驗結(jié)論，更是一種了不起的自我革新和自我創(chuàng)新精神的體現(xiàn)．