能量守恒定律的發現
【資料來源：數理化通俗演義 理藝出版社】
第四十五回
參透天機邁爾被逼成瘋癲
打破砂鍋焦耳定要問到底
─能量守恒和轉化定律的發現
前幾回說到十九世紀中葉化學上的重要發現與發明，而這一時期物理上也有了重要突破，這就是被恩格斯列為十九世紀自然科學三大發現的能量守恒和能量轉化。而這條定律的發現，卻是和一個被稱為“瘋子”的人聯繫在一起的。
卻說這個“瘋子”名叫邁爾(1814~1878)，德國人，從小學醫。1840年他才26歲，便在漢堡獨立開業行醫了。他平時對事情總要問個為什麼，而且必得親自觀察、研究、實驗，別人笑他這股痴勁，他卻反笑當時形而上學的詭辯哲學並對它“已討厭到了噁心的程度”。他一天天不滿足自己生活著的漢堡這個小天地，和親友們鬧著要到外面去闖一闖。機會也真地來了，有一隻船隊要到印度尼西亞遠航，正缺一個隨船醫生，他便欣然應徵。1840年2月22日這天，他便開始飄泊在那浩浩蕩蕩的洋面上。
他這樣頂風破浪、顛簸搖蕩，也不知過了多少個白天黑夜，經了幾回月虧月圓。那邁爾終日在船上憑欄遠眺，但是不見陸地，不見林木，除了綠水就是白浪，只是覺的氣候越來越熱。在漢堡時坐在診所裡清涼宜人，而現時卻如坐蒸籠；那家鄉的太陽溫暖可親，這裡的烈日卻如火球一樣炙人。一日，好不容易到達爪哇島的巴達維亞(即日的加爾各達)，人們才終於能登陸休息。但是因氣候水土不服，許多船員又都突然生起病來。邁爾就按照他過去的老辦法，放血治療。在德國時治這種病只要在病人的靜脈管上刺一針就會放出一股黑紅的血來，現在他雖仍然是一針扎下，可是自己這些德國同胞的靜脈管裡卻冒出了鮮紅鮮紅的血。船員們的病倒是治好了，邁爾卻開始頭疼起來。他本就有一個愛觀察、愛思考的癖好，今日遇到這等奇事，他的腦海哪能平靜？經過多日的冥思苦想，他終於得出一個道理。他想：血液所以是紅的，是因為裡面含有氧，氧在人體內燃燒產生熱，維持人的體溫，這裡正是赤道附近，氣候炎熱，人的體溫並不用那許多氧去維持，血裡的氧消耗不多，靜脈管裡的血液自然就還是鮮紅的。這一個推論不一定正確，但是他卻天才地想到一個人們從沒有想過的極重要的問題，就是人身上的熱究竟由什麼轉化來的，是由於肌肉的運動嗎？不是，他計算了一下，頂多只有500克重的一顆心臟，它運動做功產生的熱根本不能維持全身的體溫。看來體溫是靠全身的血肉來維持，而這又是靠人吃食物，吃肉得來；肉是其他動物吃草長成，草是靠太陽的光熱轉變成化學力而生長成。太陽的光熱又是從何而來呢？他想太陽假如是一塊燃燒的大煤，按一克煤可以放出熱量6000卡計算，這塊大煤只能燃燒4600年。看來不是這個道理，他又想那一是無數隕星、小行星高速撞擊到太陽表面使之發熱的，他推出太陽中心的溫度是2750─5500萬度〈今天我們知道實際是1500萬度〉。卻說邁爾就是這樣做著沒完沒了的聯想，各種能的形式在他的腦海裡不斷置換，越想越多，越想越寬，越想越從具體上升到抽象，最後他想應該集中到一點：用什麼來說明、來衡量這些能量間的轉換呢？這就是熱、熱量。各種能都可以轉化或換算成熱量，這便是它們之間的相似點。邁爾不知不覺中已從狹宰的醫學領域縱身一跳，跳在眾家學科之上。這正是：
有的人
一輩子都在隧道裡行走，
他只會盯著前面的亮點。
走啊，走啊，
兩旁是冰冷的巉岩。
他看不清
腳下的路，
更不知洞外還有天。
有的人
總讓自己置身於最高的山峰，
永遠注目著前面的峰巒。
登攀，登攀，
腳下是遼闊的平原。
他最早看到
東方的日出，
還有海天之際的白帆。
卻說邁爾這次從北海之濱遠征南洋，得了這樣一個新思想，喜的就如爆了一個金娃娃一般。他一回國就寫成一篇論文《論無機界的力》提出機械能與熱能的思想，而且還自己設計實驗測出熱功當量是365千克米/千卡。他興衝衝地帶上這篇文章來到當時德國最權威的科學雜誌《物理年鑒》聲言一定要親見總編。總編輯波根道夫一見到這個年輕人便先問他到：“您是搞什什麼專業的？”
“我是一名醫生。”
“醫生怎麼到我們物理雜誌來投稿呢？”
“我的這個新理論不但管醫學，也管物理、化學，一切自然學科都逃不出它的管轄。”
“年輕人，你在說瘋話吧。”
波根道夫答應，可以把論文先留下。可是邁爾回到漢堡，左等右等總不見發表。它料想自己這個無名小卒人家不會相信，便又將此文送給一份醫學雜誌，終於在1842年5月問世。但物理學家們誰去注意這種醫學小刊物。他到處演說，擠進去參加人家的物理學術會議，讓人們相信世界上能量是不生不滅的。這天他又在一個討論會上大聲演說：
“你們看，太陽把能量洒向地球。地球絕不會讓這些能量浪費掉，就到處佈滿了植物，它們生長著，吸收著陽光，並生出各種化學物質……………”
但是他講的這些誰也不相信，下面議論紛紛：“這純粹是胡扯，是瞎猜，有什麼實驗根據？”其實邁爾所提出的光合作用問題，以後果然為俄國科學家季米利雅捷夫所證實。這是後話。人們不願聽邁爾的演說，對他很不尊重，說：“看來他真的有些瘋吧。”
邁爾氣極了，大聲喊道：“什麼叫瘋子？瘋子是不按常規想事、做事，但不尋常規的人並不一定都是瘋子。哥白尼、布魯諾、伽利略、哈維不是都打破了常規，都曾被人稱為瘋子嗎？可是歷史證明他們是真正的偉人！”
“哈哈，原來你是想當哥白尼啊！”
“你還是當一個好醫生，先治治自己的精神病吧！”
會場上一片轟笑。
邁爾不被人理解，他陷入極度的痛苦中。正趕上他的兩個兒子又相繼去世，精神上更受打擊。他走過大街，人家議論：“這就是那個瘋醫生，連自己的孩子也治不好。”漸漸，他的診所也無人光顧了。他也一天天更形容枯槁，脾氣狂躁。
1850年的一天晚上，他拖著疲憊的身子走回家來。剛邁上樓梯就聽到家裡有人說話，是妻子的聲音：“先生，請您拿個主意，他大概是該去住一段醫院了。”他推們進去，本地一位精神病院的名醫正坐在沙發裡。原來家裡人也把他當精神病人了。他大怒，將桌子一把掀翻，喊道：“你們全都瘋了，你們不要我這個瘋子，我就離開這個全是瘋人的世界！”
說罷，他推門出外，從陽台上頭朝下一跌，便栽下樓去。家裡人半天才反應過來，看著黑呼呼的樓下，一時又哭又喊亂成一團。到底邁爾性命如何，我們暫且按下不提。
再說和邁爾同時期研究能量守恒的，還有一個英國人叫焦耳〈1818~1889〉。他從小身體嬴弱，不能到學校裡去，只能在家裡自學。後來又投到道爾頓門下學化學、物理、數學。焦耳的父親是一位啤酒商，他為兒子留下了一個啤酒場，焦耳便一邊經營啤酒一邊研究科學。長期的釀酒實踐，使他懂得準確測量的重要。自從他聽說法拉地發現電磁感應後，又迷戀於電的研究。真是條條大道通羅馬，就如邁爾從靜脈血液的顏色想到能量轉化一樣，焦耳從導線通電後可以發熱，想到了電能和熱能的轉換。1840年他才22歲便將發現將通電金屬絲放在水裡，水會因此發熱。通過多次精細地測試他得出這樣一條定律：通電導體所產生的熱量和電流強度的平方、導體的電阻和通電時間成正比，這就是有名的焦耳定律。當時焦耳就將自己的結論寫成論文，送給英國皇家學會。但是這個釀酒匠的文章，被拖道第二年十月才在《哲學雜誌》上登出。
這焦耳的性格畢竟與邁爾不同。他謙和大度又極有韌性。無論社會上承認不承認，重視不重視，他總是埋頭苦幹下去，打破砂鍋問到底，一定要弄個水落石出。1843年他測了水電解時產生的熱，測了運動線圈中感應電流產生的熱，計算出無論化學能、電能等何種能所產生的熱都相當於一定的功，極460千克米/千卡。1845年的一天，他帶上自己最新測得的數據和實驗儀器，參加在劍橋舉行的學術會議。他當場做完實驗，堅定地宣佈：“自然界的力〈能〉是不能毀滅的，哪裡消耗了機械力〈能〉總能得到相當的熱”。台下坐著的都是一些赫赫有名的大科學家，他們對這種聞所未聞的理論一個個直搖頭，連法拉第也轉過身來對身旁的人說：“這怕不可能吧。”更有一人當時十分惱火。此人叫威廉 湯姆生(1824~1907)，後來的英國皇家學會會長，這年才21歲，但已是一個遠近聞名的才子。他父親是格拉斯大學的數學教授，他八歲就隨父親聽大學數學，十歲就正式考入該大學，後又到劍橋學習，這年剛畢業就獲得了數學學士和史密斯獎章，自認為學富五車，才高八斗，那些數理化的規律早就爛熟於心。今天聽了焦耳的這段奇論，他轉身問道：“這台上站著的是哪個大學的教授？”別人告他是曼徹斯特啤酒廠的廠主。他鼻子一亨道：“原來是個釀酒匠啊，也配來這裡說話？”說完起身退出會場。
台下的議論，湯姆生的舉動，焦耳自然也都聽到耳中看在眼裡。但他都不放在心上，回到家裡繼續一邊釀酒，一邊搞業餘研究。他不僅用水來測機械能轉化成的熱，還換了水銀、鯨魚油、空氣，又用鐵片摩擦生熱，後來又把熱功當量精確到423.9千克米/千卡。這樣鍥而不捨地實驗竟連續做了近四十年，達四百多次，其毅力著實驚人。1847年焦耳終於設計成一種清楚明了後來在科學史上很著名的實驗，就是一個密封水桶裡裝上槳，槳上有軸，軸與兩邊的重物相連。這樣重物下降變動槳的轉動，便使桶內的水磨擦生熱而通過下降的高度來求熱功當量。這年英國科學協會又在牛津召開會議，焦耳又興衝衝地帶上自己的實驗裝置前來赴會。會議主席一見他來便皺起眉頭說：“焦耳先生，你的那些東西據我所知現在還沒有一票支持，是否最好不要再浪費時間了。”
“我匆匆趕來正是為了取得支持，我相信經過現場表演，這些聰明的教授會看得懂其中的道理，會支持我的。”
“那好，實在是時間有限，請只介紹實驗，就不必做報告了。”
“可以。”
焦耳將他的儀器擺好，轉動搖把，讓重物升高下降，又測出桶內水的溫度說：“你們看機械能就是這樣可以定量地轉化為熱，反過來一千卡的熱也和423.9千克米的功相當。”
他話還沒有說完，突然台下站起一個人來高聲說道：“這是胡扯！熱是一種物質，熱素，它與功毫無關係。”
焦耳抬頭一看說話的正是湯姆生，想不到今天他又來了，真是冤家路宰窄。現在的湯姆生已是格拉斯大學的教授，年輕得志，而比湯姆生大六歲的焦耳卻還是一個釀酒匠。焦耳對湯姆生的無禮並不以怨相報，他讓自己冷靜一下，以一種溫和的語調說：“熱不能做功，那蒸汽機裡的活塞為什麼會動呢？能量要是不守恒，那永動機為什麼總是造不成呢？”
這真是坪鉈雖小壓千金。這個釀酒匠不緊不慢，不軟不硬的兩句話頓使場內鴉雀無聲。他雖然沒有教授的風度，但是他那釀酒房裡特殊訓練出來的熟練的操作技巧，精細的計算、推理，都無懈可擊，再加上他那雙謙虛的眼睛，誠懇的笑容，使這些教授們不由地認真思考開來，一會兒紛紛起來發言，爭論的好不熱烈。他們又上前眼看、手摸，仔細檢查了焦耳的儀器，實在是新穎簡明，不得不佩服這個啤酒匠的才智。
再說湯姆生自以為聰明多才，不想今天在會上碰了這個釘子，羞愧難當。他回到學校後，也自己動手做起實驗。不久，他在資料室裡隨意翻查舊雜誌，竟發現了前幾年邁爾發表的那篇論文，其思想與焦耳完全吻合，這才使他大吃一驚。他忙將這篇論文藏在懷裡，又帶上自己最新的實驗成果，急匆匆地趕去見焦耳。他抱定負荊請罪的決心，想請焦耳原諒他過去的傲慢，共同來探討這個偉大的發現。
卻說湯姆生來到啤酒廠裡，只見滿地酒槽、酒瓶。他打聽焦耳，別人指向一處房子，他推門進去，酒氣撲鼻，霧氣騰騰，只見一個身繫帆布圍裙的大個子正在指揮工人添料、加水。他一眼認出 這就是兩次在台上演講的那個身影，忙趨前幾步說聲：“焦耳先生，湯姆生前來拜訪您。”這焦耳兩手酒漿，回頭一看，不提防卻是這個論敵。看他這身筆挺的教授服裝，這副誠懇的神態，不知出了什麼事。忙雙手在圍裙上抹了兩把，喊道：“原來是您，湯姆生教授，快到實驗室裡去休息。”
兩人在實驗室裡坐定。湯姆生打量著他這裡堆著的酒瓶酒罐，和各種代用的儀器，暗暗為焦耳這種堅韌不拔的精神所折服。待焦耳洗了手，換了衣服，他站起來說：“焦耳先生，看來是您對了，我今天是來認錯的。”
“哪裡，哪裡。我自己也還有很多地方沒有想通，正要向您求教呢。”
“您看，我是看了這篇論文後，才感到你們是對的。”說著就掏出邁爾的文章。
焦耳不看也罷，一看，剛才臉上的喜色頓然消失：“湯姆生教授，可惜您再也不能和他當面討論問題了。這樣一個偉大的天才因不為人所理解，已經憤而跳樓自殺了。”
“啊？”湯姆生的眼睛睜得雞蛋似的喊道：“他已經不在人世了嗎？”
“在。那天跳樓並沒有摔死，但已神經錯亂，住進精神病院裡，怕難康復了。”
湯姆生低下了頭，半天無語。一會兒他抬起頭，真誠的目光盯著焦耳的眼睛，說：“實在對不起。我現在才知道自己的罪過。過去我，我們這些人會曾給您多大的壓力啊。焦耳先生請您原諒，一個科學家在新觀點、新人面前有時也會表現得很無知的。”
焦耳連忙上前扶他坐下說道：“湯姆生教授，不要這樣說。就是我的實驗也有許多不完善之處，難以立即服人。”他為了緩和一下氣氛又補充道：“況且我這個人一向會自我解嘲，反正我這裡有的是酒，不順心時喝下幾大杯，也就愁雲四散了。所以我經常醉，卻永不會瘋的。”說完他先哈哈大笑了，湯姆生也一陣大笑。兩人親密地並肩而坐，研究起湯姆生帶來的新實驗報告來。
正是：
唇槍舌劍亦無妨，靈犀一通釋前嫌。
心底無私胸懷闊，化敵為友復何難？
從此，焦耳和湯姆生成為一對密友。湯姆生畢竟是受過專門訓練的，1853年他幫助焦耳終於完成了關於能量守恒和轉化定律的精確表述。至此，辯證唯物主義得以產生的基礎，自然科學中的三大發現之一的能量轉化和能量守恒定律宣告得到公認。後來兩人又合作發現了著名的湯姆生─焦耳效應，即氣體受壓通過窄孔後會發生膨脹降溫，為近代低溫工程奠定了基礎。這是後話。(共18张PPT)
能量的转化和守恒
余姚市世南中学邬代红
太阳——地球的
生命之源
黄河
瀑布
来自地球深处的能量
古代生物留给
我们人类的一
笔巨大财富
一
石
激
起
千
层
浪
广播、电视、
移动通信通
过电磁波传
播而实现信
息传递过程，
同时也是电
磁波能量的
转移。
密如蛛丝的电网
至今仍
让人闻
风丧胆
的印尼
大海啸
植物被誉为“绿色工厂”，它能将二氧化碳和水等简单的无机物转变成复杂的有机物，并把光能转化为化学能贮存在有机物中。
各种发电厂
到底有没有一种机器它可以
一直运转，但无须能源的消耗 ，
要是有的话就太好了！
焦耳研究
能量守恒
的经典实
验
能量既不会消灭，也不会
创生，它只会从一种形式转化
为另一种形式，或者从一个物
体转移到另一个物体，而在转
化和移动的过程中，能量的总
量保持不变——能量守恒定律
既然能量既不会消灭，也不会
创生，而且在转化和转移过程中，
能的总量保持不变。那么我们在
运用能源的时候无需考虑节约的
问题。
在我们宁波地区有哪些丰富
的能源？说说如何利用这些能量？
滚球永动机
木制鼓形轮
盛水的大桶
的,的
图200又一种水力
水动机的设计永动机永动机是一类想象中的不需外界输入能源、能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断运动并且对外做功的机械。历史上人们曾经热衷于研制各种类型的永动机，其中包括达芬奇、焦耳这样的学术大家（中国的国民革命军将领黄维在被中国人民解放军俘虏后也一直从事永动机的研制，直到逝世)，也包括一些希望以永动机出名和获利的骗子。在热力学体系建立后，人们通过严谨的逻辑证明了永动机是违反热力学基本原理的设想，从此之后就少有永动机的研究者了。不过从一个侧面也可以认为，人类对永动机的热情以及制造永动机的种种实践，推动了热力学体系的建立和机械制造技术的进步。
1775年法国巴黎科学院通过决议，宣布永不接受永动机，现在美国专利与商标局严禁将专利证书授予永动机类申请，而永动机这个名词现在更多地作为一种修辞被用来描述那些充满活力，不知疲倦的人。
第一类永动机
第一类永动机是最古老的永动机概念，这一类永动机试图以机械的手段在不获取能源的前提下使体系持续地向外界输出能量。历史上最著名的第一类永动机是法国人亨内考在十三世纪提出的“魔轮”，魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂实现永动，向下行方向的悬臂在重力作用下会向下落下，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的悬臂在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮的转动。十五世纪，著名学者达芬奇也曾经设计了一个相同原理的类似装置，1667年曾有人将达芬奇的设计付诸实践，制造了一部直径5米的庞大机械，但是这些装置经过试验均以失败告终。
除了利用力矩变化的魔轮，还有利用浮力、水力等原理的永动机问世，但是经过试验，这些永动机方案要么被证明是失败的，要么被证明是骗局，无一成功。
1842年荷兰科学家迈尔提出能量守恒和转化定律；1843年英国科学家焦耳提出热力学第一定律，他们从理论上证明了能够凭空制造能量的第一类永动机是不能实现的。热力学第一定律的表述方式之一就是：第一类永动机不可能实现。
第二类永动机
在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能被凭空制造出来的，于是有人提出，设计一类装置，从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头，这就是第二类永动机。
历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。
1820年代法国工程师卡诺设计了一种工作于两个热源之间的理想热机——卡诺热机，卡诺热机从理论上证明了热机的工作效率与两个热源的温差相关。德国人克劳修斯和英国人开尔文在研究了卡诺循环和热力学第一定律后，提出了热力学第二定律。这一定律指出：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。热力学第二定律的提出宣判了第二类永动机的死刑，而这一定律的表述方式之一就是：第二类永动机不可能实现。
永动机骗局
历史上曾经无数人痴迷于永动机的设计和制造，在热力学体系建立之前，这些人中即有科学家，也有希望借此成名发财的投机者，而热力学体系建立后，致力于永动机设计的除了希望打破现有科学体系的“民间科学家”外，更多的则是一些借永动机之名牟取钱财的骗子。
历史上著名的永动机骗局有：
自动轮骗局：1714年，德国人奥尔菲留斯声称发明了一部名为自动轮的永动机，这部机器每分钟旋转六十转，并能够将16公斤的物体提高相当的高度，当他宣布了这一消息并进行了公开实验后，名噪整个德国。1717年一位来自波兰的州长在验看了安放自动轮的房间后，派军队把守这座房屋，40天他发现自动轮仍在转动，便给奥尔菲留斯颁发了鉴定证书。奥尔菲留斯靠展出自动轮获取了大量金钱，俄国沙皇彼得一世甚至与他达成价值10万卢布的购买协议。最终由于奥尔菲留斯的太太与女仆发生争执，女仆愤而曝光，原来自动轮是依靠隐藏在房间夹壁墙中的女仆牵动缆绳运转的，整个事件是一个骗局。
王洪成骗局：中国哈尔滨人王洪成曾在1984年提出一个永动机方案，他利用他设计的永动机驱动自家的洗衣机、电扇等装置运转，不久骗局被揭穿，他制作的永动机模型是用隐藏的纽扣电池驱动的一个电动马达，而供应洗衣机、电扇运转的则是暗藏在地下的电线。1998年，王洪成的另一个骗局“水变油”被揭穿，他本人也因此入狱。
另外在1980年代的巴黎博览会上，曾展出过一种"永动机装置"：这个装置是一个不停转动的大轮子，参观博览会的观众对这架永动机非常好奇，纷纷逆旋转方向推动轮盘，以期阻止轮子的转动。这个永动装置的设计者正是利用了观众的好奇心，让他们向后转动轮盘的动作为永动机上紧发条，维持装置的运转。
