制造永动机的想法是先有还是先提出能量守恒？

发现过程

19世纪中叶发现的能量守恒定律是自然科学中非常重要的定律。它的发现是人类对自然科学规律的认识逐渐积累到一定程度的必然事件。尽管如此，它的发现仍然是曲折的、艰巨的和令人兴奋的。了解能量守恒定律的发现过程，有利于理解自然科学发展过程中理论的积累和形成。本文简述了能量守恒定律的发现过程。

1.为发现能量守恒定律做准备

能量守恒定律是一条关于机械能和热能的定律。不言而喻，在它被发现之前，人们必须对机械能和热能有更深入的研究。我们现在将描述这两个方面。

活力与死亡的争论

勒内·笛卡尔(1596-1650)在《哲学原理》中讨论碰撞时引入了动量的概念来度量运动。艾萨克·牛顿(1687)在他的《自然哲学的数学原理》中通过动量的变化来测量力。与此不同的是，戈特弗里德·威廉·莱布尼茨(1646-1716)在1686年的一篇论文中批判了笛卡尔，主张用质量乘以速度的平方来衡量运动，莱布尼茨称之为活力。用动量测得的牛顿力也叫死力。莱布尼茨的命题与惠更斯在1669中关于碰撞的结论不谋而合，结论是“当两个物体相互碰撞时，它们的质量和速度的平方积之和在碰撞前后保持不变。”

自从莱布尼茨挑起争论以来，笛卡尔和莱布尼茨之间就一直存在争论。这场争论持续了近半个世纪，众多学者参与其中，各有各的实验证据。直到1743年，法国学者达朗贝尔(1717-1783)在他的《动力学论》中说:“对于测量一个力，用它来赋予一个受它影响并经过一定距离的物体以生命力，或者用它来赋予它以生命力。在这里，达朗贝尔揭示了生命力是根据作用距离来衡量力的，而动量是根据作用时间来衡量力的。争论最终解决了。活力作为一个正式的力学术语，被力学普遍接受。

虽然生命力被力学所接受，但它与力的关系并不明确。直到1807年，英国学者托马斯·杨(托马斯·杨，1773，510-1829，510)引入了能量的概念，法国学者科里奥利(1831)1792-1843)引入了力做功的概念，并增加了一个系数功和动能之间的关系通过积分给出，即

公式F=1/2mv2表示力做了功，转化为物体的动能。也就是说自然界的机械能是守恒的。

温度计的发明和潜热的发现

一个精确的热理论应该从温度计的制造开始。从17世纪开始，伽利略(1564-1642)等人开始在意大利制作温度计。但由于温标不便，后人很少使用。

更早的实用温度计是德国物理学家丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特(1686-1736)。从1714开始用水银作为温度计，不断改进，直到1717基本确定了华氏温度计。直到华伦海去世，科学家才正式确定华氏温标如下:水的沸点是212度，32度是水的冰点。因此，这一规定是为了尽量避免对通常的温度取负值。

像瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯(1701-1744)一样，摄氏刻度是在1742到1743年发明的。水在标准状态下的冰点是零度，水的沸点是100度。摄氏标度在1948年被国际度量衡会议指定为国际标准。

温度计的发明为热量的准确性准备了必要的条件，人们可以用它来测量各种条件下物质的温度变化。最早的时候，人们没有区分温度和热量，认为温度就是热量。

20世纪50年代，英国科学家约瑟夫。布莱克(1728-1799)将32°F的冰块与同重量的172°F的水相混合，发现平均温度是32°而不是102°F..

布莱克得出结论，冰融化时需要吸收大量的热量，使冰变成水，但不能导致温度上升。他还猜测冰融化时吸收的热量是一定的。为了找出这个问题，他进行了逆向实验，即观察水凝固时是否也会放出一定的热量。他不停地摇晃零下4摄氏度的过冷水，让一部分过冷水凝固成冰，结果温度上升；过冷水完全凝固时，温度上升到零摄氏度，说明水凝固时确实放出热量。大量进一步的实验使布莱克发现，各种物质在状态变化时(熔化、凝固、汽化、凝结)都有这种效应。他曾经用玻璃盖盖住盛有酒精的器皿，玻璃盖内的空气被抽走，于是器皿内的酒精迅速蒸发，结果玻璃盖外壁上凝结了许多小水滴。这说明液体(酒精)蒸发时吸收了大量的热量，从而冷却了玻璃罩，在外壁上凝结了水滴。

布莱克用了一种非常简单直观的方法来测量水汽化所需的热量。他用稳定的火在零摄氏度下烧一公斤水，使水沸腾，然后继续烧火，直到水完全蒸发。他测得沸水完全蒸发所用的时间，是水从0℃升到沸腾所用时间的4.5倍，说明供热比例为100: 450。这个实验当然很粗糙，测得的值也有很大误差；目前的测量显示这个比例是100: 539。布莱克也用类似的方法测得，融化一定量的冰所需的热量等于在140°F下加热同重量的水所需的热量(相当于加热77.8℃所需的热量)，这个数值有点太小了。正确的数值是143 F(相当于80℃)，但当时这个测量结果也是一样的。

基于这些实验事实，布莱克在1760中开始认识到热和温度是两个不同的概念，随后他在1761中引入了“潜热”的概念。

随后，法国科学家拉瓦锡(1743-1794)和拉普拉斯(1749-1827)合作，提出了1780中测量物质热容的正确方法。由于精确的热量的成熟，在1822年，法国学者让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅里叶(1768 ~ 1830)发表了他关于多年热研究的总结性著作《热的分析理论》。

热机的发明

自古以来，人类就认识到机械运动可以产生热量。无论东方还是西方，古代都有钻木取火的记载，这是将机械运动转化为热能的早期实践。但是，几千年来没有人想过机械能和热能的定量转换。直到美国人兰福德(本杰明·汤普森拉姆福德，伯爵，1753-1814)1798在慕尼黑注意到，在镗炮筒青铜毛坯时，金属毛坯热得像火一样，还得不断用水冷却。兰福德注意到，只要钻孔不停止，金属就会一直发热；如果把这些热量全部转移到原来的金属上，就足以把它熔化。兰福德的结论是，镗刀的机械运动转化为热，所以热是运动的一种形式，而不是之前认为的物质。兰福德还试图计算一定量的机械能产生的热量。因此，兰福德第一次给出了一个我们现在称之为热的机械当量的值。但是他的数字太高了。半个世纪后，焦耳提供了正确的数值。

说到热能转化为机械能，最早应该提到的是亚历山大的希罗(约公元62年)在亚历山大发明的蒸汽机。本发明是一个连接有两个弯头的空心球。当球体中的水沸腾时，蒸汽通过管子喷出，球体快速旋转。这是最早的蒸汽机。但在当时只用于祭祀神灵和游玩，并无实际应用。

1712年，一位名叫托马斯·纽科门(1663-1729)的英国人发明了大气蒸汽机。这台机器有一个气缸和一个活塞。工作时，蒸汽首先进入汽缸。此时，汽缸停止供应蒸汽，水进入汽缸。当蒸汽凝结成水时，缸内气压迅速下降，水就可以被吸上来。然后蒸汽被引入汽缸，用于下一个循环。起初，这种蒸汽机每分钟来回十次左右，可以自动工作，大大方便了矿井中的抽水工作，所以不仅英国人使用，德国和法国也使用。

詹姆斯·瓦特(1736-1819)在18世纪下半叶改进了蒸汽机。其中最重要的改进有两个，一个是冷凝器的发明，大大提高了蒸汽机的效率，另一个是离心调速器的发明，使蒸汽机的转速可以自由控制。经过瓦特的改进，蒸汽机才真正在工业上得到广泛应用。

永动机的不可能性

据说永动机的概念起源于印度，12世纪传入欧洲。

据记载，欧洲最早也是最著名的永动机设计方案，是13世纪一个名叫维兰德·德·洪内考特的法国人提出的。如图:车轮中央有一根转轴，车轮边缘装有12根活动短杆，每根短杆的一端装有一个铁球。

随后，研究和发明永动机的人不断涌现。虽然很多学者都指出永动机是不可能的，但是研究永动机的人还是一波接一波的前进。

达芬奇(1452-1519)，文艺复兴时期伟大的意大利学者，曾经研究永动机。难能可贵的是，他最终得出了永动机不可能的结论。

与达芬奇同时代的还有一个叫卡丹的意大利人(杰罗姆·卡丹，1501-1576)，他最早因给出解三次方程的根而出名，也认为永动机是不可能的。

关于永动机的不可能性，我们还应该提到荷兰物理学家西蒙·斯蒂文(1548 1620)。16世纪以前，在静力学中，人们只会处理求平行力系的合力及其平衡的问题，以及把一个力分解成平行力系的问题，而不会处理相交力系的平衡问题。为了解决这类问题，人们将其归结为解决三个相交力的平衡问题。这个问题通过巧妙的辩论解决了。假设你把一个均匀的链条ABC放在一个不对称的直立(无摩擦)楔块上，如图所示。此时，链条受到两个接触面上的反作用力和自身重力的作用。恰好是三股合流的力量。链条会在这里或那里滑动吗？如果是，走哪条路？斯蒂芬想象着把楔子停在空中，用CDA连接底部的链条，如图，终于解决了问题。挂在底部的链条是自己平衡的。用上部链条连接悬挂部件。斯蒂芬说:“如果你觉得楔子上的链条不平衡，我可以做一个永动机。”事实上，如果链条会滑动，那么你必然会推出封闭的链条会永远滑动；这显然是荒谬的，答案一定是链条不动。他得到了三种力量平衡的条件。他觉得这个证明很精彩，于是把图2放在了自己的书《数学的本质》的扉页上，同行们把它刻在了自己的墓碑上，以示敬仰。交叉力系平衡问题的解决也标志着静力学的成熟。

随着永动机不可能实现，一些国家对永动机进行了限制。比如早在1775，法国科学院就决定不发表关于永动机的通讯。1917年，美国专利局决定不受理永动机的专利申请。

根据英国专利局助理评估员F. Charlesworth的说法，英国永动机的第一个专利是1635。在1617和1903之间，英国专利局收到了大约600份永动机的专利申请。这还不包括利用重力原理的永动机的专利申请。但是在美国，1917之后，还是有很多永动机方案一时看不出玄机，被专利局受理。

2.迈耶的发现和经验

在前期科学研究的基础上，机械能的测量和守恒，热能的测量，机械能和热能的相互转化，永动机的大量实践被宣布为不可能。发现能量守恒定律的条件正在逐渐成熟。所以这个发现最早是由迈尔开始的。

朱利叶斯·罗伯特·迈耶(1814-1878)是德国物理学家。他在大学里学医，但他不喜欢当医生。他是船医，工作比较清闲。

在西方，大约从4世纪开始就有大规模的放血疗法。一次大约要排出12到13盎司(约340-370克，有一杯那么多)的血液，其他的会一直排到患者感到头晕为止。这种疗法的依据是古代西方有一种所谓的“液体病理”理论，认为人体内含有多种液体，如血、痰、胆汁等。这些液体太多或不够都会导致疾病。放血的作用是排除多余液体的措施。在中世纪，西方的富人，尤其是那些贵族精英和绅士，一年四季都要定期放血，一般是春秋两季一次。放血的另一个作用是让女人更好看，这和当时西方的审美标准有关，让她们看起来白而不羞。所以西方女士经常流血。作为一名医生，迈耶不用多说，经常会用放血疗法给人治病。

大约1840，在去爪哇的航行中，因为对动物体温的考虑，对物理产生了兴趣。在泗水，当他给一些生病的水手放血时，他发现血管里的血是明亮的。起初，他误以为自己割错了动脉。所以他想，血液在热带地区更红，身体不需要像在温带地区那样燃烧更多的氧气来保持体温。这一现象促使迈耶思考这样一个事实:体内的食物转化为热量，身体可以做功。得出结论，热和功是可以相互转化的。

他也注意到当时很多人用永动机做的实验都以失败告终，这给他从小留下了深刻的影响。这些让他猜测“机械功根本不可能从无到有。”

热的机械当量第一次被提及是在他9月1841日写给朋友的信中。他说:“对于我的可以用数学可靠性解释的理论来说，解决以下问题仍然是极其重要的:必须将一个重物(例如100磅)举到地面多高，才能使这个高度对应的运动量和放下重物所获得的运动量正好等于将一磅0℃的冰转化为0℃的水所需要的热量。”

1842年3月，迈耶写了一篇短文《对无机领域中力的看法》，寄给了《药学与化学纪事》的主编尤斯图斯·冯·李比希(尤斯图斯·冯·李比希，1803-1873)。尤斯图斯·冯·李比希立即同意使用这篇文章。本文首次解释了热的力学等效。发现一个重物从365米左右的高度下落所做的功，相当于把同样重量的水从0℃升高到1℃所需要的热量。他的文章发表在5月1842。

迈耶是最早进行力学等效热实验的学者。1842中，他用马拉的机械装置搅拌锅里的纸浆，将马所做的功与纸浆的温升进行比较，给出了热值的机械当量。他的实验比焦耳后来的实验更粗糙，但他深刻认识到这个问题的重大意义，并首次表述了能量守恒定律。他在1842结尾写给朋友的信中说:“我主观上认为，正是这种相反的证明，显示了我的定律的绝对真理:即科学上普遍公认的一个定理:永动机的设计在理论上是绝对不可能的(也就是说，即使人们不考虑力学上的困难，如摩擦力等，，人是不可能在意识形态上成功设计出来的)。而我所有的断言，都可以看作是从这个不可能原理得出的纯粹结论。如果有人否定我的定理，那么我可以马上造一台永动机。”

迈耶的论文并没有引起社会关注。为了弥补第一篇论文不算数、过于简略的缺点，他又写了第二篇论文，结果石沉大海，没有被采纳。他证明了太阳是地球上所有生物和非生物能量的最终来源。

后来亥姆霍兹和焦耳的论文相继发表，人们把能量守恒定理的发明者归功于亥姆霍兹和焦耳。但他的论文虽然早，系统，但不仅不被认可，还引来了一些攻击文章。加1848，祸不单行。两个孩子死了，他的弟弟牵连到革命活动中。1849年，迈耶从三楼跳下，成为重度残疾。后来，他被诊断为精神分裂症，被送进了精神病院。医生们认为他经常谈论的新发现是自大狂的精神症状。

1858亥姆霍兹看了迈耶的1852论文，承认迈耶早于他有影响的论文。克劳修斯也认为迈耶是守恒定律的发现者。克劳修斯把这个事实告诉了英国声乐家约翰·丁达尔(1820-1893)。直到1862年，廷德尔在伦敦皇家学会系统地介绍了他的工作，他的成就才得到学会的认可。1860年，迈耶的早期论文被翻译成英文出版。1870年，迈耶当选为巴黎科学院通讯院士，并获得庞斯列奖。之后，梅耶尔的命运大有好转。

3.亥姆霍兹和焦耳的工作

亥姆霍兹和他的力守恒定律

赫尔曼·赫尔姆霍茨(1821-1894)出生在德国一个贫穷的教师家庭。高中毕业后在军队服役8年，公费考入柏林皇家医学科学院。1842亥姆霍兹获得博士学位。从65438年到0845年，他加入了青年学者组织的柏林物理协会。之后，他经常参加协会的活动。除了是军医，他还研究所有他感兴趣的问题。

1847年7月23日，他给物理协会做了一个著名的题为《论力的守恒》的报告。报道结束后，他将文章交给了《物理编年史》的编辑，却发现这篇文章与迈耶6年前的手稿有着相同的命运，编辑以没有实验事实为由拒绝发表。后来，他将这篇论文作为小册子在另一家著名出版社出版。该论文的结论与焦耳在1843年的实验完全一致，很快被称为“自然界中最高最重要的原理”。时间只差几年，又因为一个著名出版社的出版，他的命运和迈耶完全不同。后来英国学者开尔文采用了杨提出的能量概念，用“势能”代替“弹性”，用“动能”代替“活力”，改变了力学中持续近200年的概念模糊性。

关于亥姆霍兹，值得介绍的是他在德国科学家发展中的组织作用。1870年，他的老师海因里希·古斯塔夫·马格纳斯(1802-1870)，德国物理研究所最早的所长去世。时任副教授的亥姆霍兹接替他担任主任。当时德国的科研水平远远落后于英法。普法战争结束不久，德国从法国得到一大笔赔款，经济状况有所好转。亥姆霍兹获得了300万马克的资金来建造一个新的研究所，这个研究所是经过五年的努力建成的。这个研究所后来吸引了一大批优秀的青年学者，其研究课题与工业的发展密切相关，后来形成了德国非常好的科研传统。研究所的支持者中有德国伟大的企业家和发明家威廉·西门子爵士(1823-1883)。他和亥姆霍兹是柏林物理学会的第一批成员，是老朋友。亥姆霍兹担任了几十年的德国物理学会。被誉为“德国物理界的总理”。

焦耳热实验的力学当量

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(1818-1889)是英国一位富有的酿酒商的儿子，他的经济条件可以为他提供一生的研究工作。焦耳从小身体虚弱，脊椎受伤，因此专心读书学习，父亲为他提供了家庭实验室。1835年，他认识了曼彻斯特大学教授道尔顿，并得到后者的指导。焦耳的成功主要靠自学。焦耳对数学知之甚少，研究主要靠测量。1840年，他对带电导体进行了多次测量，发现电能可以转化为热能，并得出一个定律，即电导体产生的热量与电流强度的平方、导体的电阻和通过的时间成正比。他把这个定律写进了一篇论文《论伏打电的发热》。

后来，焦耳继续探索各种运动形式之间能量守恒和转化的关系。在1843年，他发表了关于水电解产生的热以及电磁热效应和热的力学价值的论文。尤其是在后一篇论文中，焦耳在英国学术会议上宣称:“自然界中的能量是不能消灭的，在那里消耗机械能并总能获得可观的热量，而热量只是能量的一种形式。”

此后，焦耳不断改进测量方法，提高测量精度，最终得到了一个物理常数，叫做“热的机械当量”。当时用焦耳测量的值是423.9千克米/千卡。现在这个常数的值是418.4。后人为了纪念他，在国际单位制中采用焦耳作为热量的单位，取1卡路里=4.184焦耳。

4.摘要

只有当功和能的概念变得清晰时，热才能与温度区分开来，它们才能被精确地测量，而只有当热机的趋势实用化，为人们所熟悉，在大量永动机失效的情况下，能量守恒定律所发现的条件才趋于成熟。

即便如此，人们对先知的理解还是相对缓慢的。迈耶的经历说明了这一点。

能量守恒定律的重要性

能量守恒定律仍然是力学乃至整个自然科学的重要定律。但还是会发展。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)发表了一篇关于狭义相对论的著名论文《关于光的产生和转化的启发性观点》，揭示了质量和能量守恒定律，即在一个孤立的系统中，所有粒子的相对论动能和静能之和在相互作用过程中保持不变，称为质量和能量守恒。