1、至此，能量转化与守恒定律及其应用已经成为力学中的基本内容。2化学、生物学方面的准备法国的拉瓦锡（A.L.Lavoisier，17431794）和拉普拉斯（P.S.M.Laplace，17491827）曾经研究过一个重要的生理现象，他们证明豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等。德国化学家李比希（J.Liebig，18031873）的学生莫尔（FMohr，18061879）则进一步认为不同形式的“力”（即能量）都是机械“力”的表现，他写道：“除了54 种化学元素外，自然界还有一种动因，叫做力。力在适当的条件下可以表现为运动、化学亲和力、凝聚、电、光、热和磁，从这些
2、运动形式中的每一种可以得出一切其余形式。”他明确地表述了运动不同形式的统一性和相互转化的可能性。3热学方面的准备伦福德伯爵（CountRumford，原名本杰明汤普森BenjaminThompson，17531814）在18 世纪末，做了一系列摩擦生热的实验攻击热质说。他仔细观察了大炮膛孔时的现象，1798 年1 月25 日在皇家学会宣读他的文章：“最近我应约去慕尼黑兵工厂领导钻制大炮的工作。我发现，铜炮在钻了很短的一段时间后，就会产生大量的热；而被钻头从大炮上钻下来的铜屑更热（象我用实验所证实的，发现它们比沸水还要热）。”伦福德分析这些热是由于摩擦产生的，他说：“我们一定不能忘记，在这些实验
3、中，由摩擦所生的热的来源似乎是无穷无尽的。”伦福德的实验引起不小的反响。在他的影响下，有一位英国化学家戴维（HumphryDavy，17781829），曾在1799 年发表了论热、光及光的复合一文，介绍了他所做的冰块摩擦实验，这个实验为热功相当性提供了有说服力的实例，激励更多的人去探讨这个问题。4电磁学方面的准备19 世纪二、三十年代，电磁学的基本规律陆续发现，人们自然对电与磁、电与热、电与化学等关系密切注视。法拉第（MichaelFaraday， 17911867）尤其强调各种“自然力”的统一和转化，他认为“自然力”的转变，是其不灭性的结果。“自然力”不能从无生有，一种“力”的产生是另一种“
4、力”消耗的结果。法拉第的许多工作都涉及转化现象，如电磁感应、电化学和光的磁效应等。他在1845 年发表一篇讨论磁对光的作用的论文，表述了他对“力”的统一性和等价性的基本概念，他写道：“物质的力所处的不同形式很明显有一个共同的起源，换句话说，是如此直接地联系着和互相依赖着，以至于可以互相转换，并在其行动中，力具有守恒性。”“力”的转化这一概念使他做出重要的发现。在电与热的关系上，1821 年塞贝克（Seebeck）发现的温差电现象是“自然力”互相转化的又一重要例证。后面还将提到焦耳（J.P.Joule，18181889）在1840 年研究了电流的热效应，发现i2R 定律，这是能量转化的一个定量关
5、系，对能量转化与守恒定律的建立有重要意义。能量转化与守恒定律的建立，经历了两个主要过程：1、能量转化与守恒定律初步形成19 世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关系，对蒸汽机“出力”作出理论上的分析。所以热与机械功的相互转化得到了广泛的研究。埃瓦特（PeterEwart，17671842）对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的“机械动力”之间的关系作了研究，建立了定量联系。丹麦工程师和物理学家柯尔丁（L.Colding，18151888）从事了摩擦生热的实验。俄国的赫斯（G.H.Hess，18021850）在更早就从化学的研究得到了能量转化与守恒的思想。1836 年赫斯向彼得堡科学
6、院报告：“经过连续的研究，我确信，不管用什么方式完成化合，由此发出的热总是恒定的，这个原理是如此之明显，以至于如果我不认为已经被证明，也可以不加思索就认为它是一条公理。”至此，能量转化与守恒定律已初步形成。其实法国工程师萨迪卡诺（SadiCarnot，17961832）早在1830 年就已确立了功热相当的思想，他在笔记中写道：“热不是别的什么东西，而是动力，或者可以说，它是改变了形式的运动，它是（物体中粒子的）一种运动（的形式）。当物体的粒子的动力消失时，必定同时有热产生，其量与粒子消失的动力精确地成正比。相反地，如果热损失了，必定有动力产生。”“因此人们可以得出一个普遍命题：在自然界中存在的
7、动力，在量上是不变的。准确地说，它既不会创生也不会消灭；实际上，它只改变了它的形式。”2、能量转化与守恒定律的确立1807年，英国的托杨首次把活力叫做能量。对能量转化与守恒定律作出明确叙述有重大贡献的，首先要提到三位科学家。他们是德国的迈尔（RobertMayer，18141878）、赫姆霍兹（Hermann vonHelmholtz，18211894）和英国的焦耳。能量转化与守恒定律是自然界基本规律之一。恩格斯对这一规律的发现给予崇高的评价，把它和达尔文进化论及细胞学说并列为三大自然发现。能量转化与守恒定律这个全面的名称就是恩格斯首先提出来的。完整的数学形式则是德国的克劳修斯（Rudoff
8、Julius EmanuelClausius，18221888）在1850 年首先提出的。W.汤姆生（William Thomson，即开尔文，LordKelvin，18241907）在1851 年更明确地把函数u 称为物体所需要的机械能（mechanicalenergy），他把上式看成热功相当性的表示式，这样就全面阐明了能、功和热量之间的关系。1852 年，W.汤姆生进一步用动态能和静态能来表示运动的能量和潜在的能量。1853 年兰金（W.J.M.Rankine，18201872）将其改为实际能和势能，他这样表述能量转化与守恒定律：“宇宙中所有能量，实际能和势能，它们的总和恒定不变。”186
9、7 年在W.汤姆生和泰特（Tait）的自然哲学论文中将上述实际能改为动能，一直沿用至今。能量转化与守恒定律不是一个科学家的成果，而是几个世纪中几乎所有科学家共同努力的结果，它指导和激励着人们不断地进行各项新的研究，推动社会的不断发展。二、影响能量转化与守恒定律描述的因素影响能量转化与守恒定律描述的因素，必须分析德国的迈尔（RobertMayer，18141878）、赫姆霍兹（Hermann vonHelmholtz，18211894）和英国的焦耳这三位科学家当时的思想与状况。对能量守恒定律最具有影响的是赫姆霍兹，原因是，焦耳注重与实验验证，对定律的具体描述更多关注的是其中的规律。迈尔虽然第一个
10、完整地提出了能量转化与守恒原理，但是在他的著作发表的几年内，不仅没有得到人们的重视，反而受到了一些著名物理学家的反对。由于他的思想不合当时流行的观念，还受到人们的诽谤和讥笑，使他在精神上受到很大刺激，曾一度关进精神病院，倍受折磨。因而，对定律的描述也不会产生很大的影响。所以，能量守恒定律的描述，主要看赫姆霍兹当时的思想。赫姆霍兹曾在著名的生理学家缪勒（Johannes Mller）的实验室里工作过多年，研究过“动物热”。他深信所有的生命现象都必得服从物理与化学规律。他早年在数学上有过良好的训练，同时又很熟悉力学的成就，读过牛顿、达朗贝尔、拉格朗日等人的著作，对拉格朗日的分析力学有深刻印象。他的
11、父亲是一位哲学教授，和著名哲学家费赫特（Fichte）是好朋友。海曼赫姆霍兹接受了前辈的影响，成了康德哲学的信徒，把自然界大统一当作自己的信条。康德（17241804）德国古典唯心主义哲学创始人。主张在人的意识之外有“自在之物”，是不可认识的“本体”，人所认识的只是现象。即告诉人们，事物本身与人所看到的事物是不同的，人类永远无法确知事物的真正面貌。人的认识有三个阶阶段：感性、知性、理性。认为各种因果律是人类理性的结果，既反对绝对的因果关系，也推翻了休谟因果律并不存在的观点。正是由于这些影响，使得赫姆霍兹在具体描写中抛开了对研究对象的叙述，抛开了对各种条件的叙述，使定律完全开放和完全包容。184
12、7 年，26 岁的赫姆霍兹写成了著名论文力的守恒，充分论述了这一命题。这篇论文是1847 年7 月23 日在柏林物理学会会议上的报告，由于被认为是思辨性、缺乏实验研究成果的一般论文，没有在当时有国际声望的物理学年鉴上发表，而是以小册子的形式单独印行的。但是历史证明，这篇论文在热力学的发展中占有重要地位，因为赫姆霍兹总结了许多人的工作，一举把能量概念从机械运动推广到了所有变化过程，并证明了普遍的能量守恒原理。这是一个十分有力的理论武器，从而可以更深入地理解自然界的统一性。他的论文共分六节，前两节主要是回顾力学的发展，强调了活力守恒（即动能守恒），进而分析了“力”的守恒原理（即机械能守恒原理）；第
13、三节涉及守恒原理的各种应用；第四节题为“热的力当量性，”他明确地摒弃了热质说，把热看成粒子（分子或原子）运动能量的一种形式。第五节“电过程的力相当性”和第六节“磁和电磁现象的力相当性”讨论各种电磁现象和电化学过程，特别是电池中的热现象对能量转化关系进行了详细研究。文章最后提到能量概念也有可能应用于有机体的生命过程，他的论点和迈尔接近。赫姆霍兹在结束语中写道：“通过上面的叙述已经证明了我们所讨论的定律没有和任何一个迄今所知的自然科学事实相矛盾，反而却引人注目地为大多数事实所证实。这定律的完全验证，也许必须看成是物理学最近将来的主要课题之一。” 这充分说明了定律在建立时有着把自然界大统一思想，也使
14、得定律完全开放与包容，同时，也使得定律具有比较浓厚的哲学味道。三、定律对社会发展的作用1、把科学从哲学的范畴中逐步分离出来从西方学术史看，科学是哲学的衍生物。后来，科学独立为与哲学并行的学科。科学与哲学有互动关系，科学产生知识，哲学产生思想。从某种意义上说，哲学更注重于未来，而科学更注重于现实。哲学是对个别的规律和特性进行新的概括和升华，从中抽象出最一般的本质和最普遍的规律；科学揭示的是自然、社会和思维某一具体领域的规律和奥秘。科学是哲学的基础，科学的进步推动着哲学的发展；哲学为科学提供世界观和方法论的指导。科学是通过精确的实验使自己逐渐从哲学的范畴中分离出来。那么，在历史上，它是怎样分离出来
15、的呢？实验科学为先导：意大利是文艺复兴的发源地，文艺复兴之后思想大解放的时期，人们的思想非常活跃。达芬奇（Leonard da Vinci，14521519）不仅是艺术家和工程师，还做过许多物理实验，主张在科学工作中多进行实验观察；波兰人哥白尼（Copernicus，14731543）主张日心说，公开向亚里士多德的信仰者挑战；弗兰西斯培根（Francis Bacon，15611626）英国唯物主义哲学家，实验科学的始祖。主张用世界本来面目去认识自然，征服自然，提出“知识就是力量”的口号。大力宣传实验的重要性，极力反对经院哲学，为伽利略的工作鸣锣开道，可以说，他们是伽利略工作的前驱。科学研究方法
16、是基础：伽利略（15641642）出生在意大利一个贵族家庭里，从小爱好文艺和科学。他所处的时代正值文艺复兴之后思想大解放的时期，受培根思想的影响，广泛地进行实验研究，并建立了科学研究方法，其步骤为：对现象的一般观察提出假设运用逻辑（包括数学）得出推论通过实验对推论进行假设对假设进行修正和推广。这一方法影响着着一代一代科学家，使科学逐渐从哲学的范畴中分来出来。到1704年，随着天文学、力学和光学的出现，物理学在十八世纪开始成为科学，为此做出杰出贡献的科学家就是英国的牛顿。从此以后，科学成为与哲学并列的独立学科，自身也逐步繁衍出多个学科分支。从历史发展的角度来看，科学从哲学中分离出来，与能量转化与
17、守恒定律并没有多大关系，更多是从运动现象、天体现象、光现象的研究中逐步独立出来的。但是，能量转化与守恒的研究，为科学家开启了更加广泛的实验途径。实验数量的大大增加和精确度要求的大大提高，使物理学成为越来越严谨，不同于哲学，有自己特色的学科。因此，我们可以说，能量转化与守恒定律的研究，确保了实验学科自身独特学科性质，即确保了科学与哲学的永固分离。2、促进了社会制度的变革能量转化与守恒定律的研究结果，它直接可以转化为技术，有的研究是直接从技术改革中得到的。因此，能量转化与守恒定律的研究过程，就是促进生产力发展的过程。对照物理学年谱、西方近代史、中国近代史，伴随着能量转化与守恒的研究过程，其中的科学
18、实验与研究结果，不断地促进了当地生产力的发展，使这些国家快步进入了工业革命的机械化和电气化时代，成为世界上领先发展的国家。同时，也促进了落后的社会制度向先进的社会制度发展，促进了资本主义社会的高速发展。中国近代史是一部民族屈辱史，具有代表性的如：1842年8月29日，中英南京条约 ，1895年4月17日，中日 马关条约，1900年12月27日，中德辛丑条约。其表面反映了由于科学技术的落后，而导致生产力的落后，从而使国家逐渐衰落，受人欺凌。其本质是腐朽没落的社会制度，严重阻碍了生产力的发展。从历史对照分析中可知，能量转化与守恒定律的研究，直接促进了生产力的发展，促进了社会制度的变革。从中我们不难
19、发现，社会制度决定着社会生产力能否发展，反之，生产力的发展也促进着社会的进步，甚至社会制度的变革。而生产力的发展渴求科技力量，首创的科技需要科学研究，因而，科学研究是促进生产力领先发展的首要因素。3、遏止了有神论是发展无形的能源承载在有形的物体上，既不能创生，也不能被消灭，只能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上，而总的能量始终保持不变。那么，人们就不难想象，无形的灵魂承载在有形的肉体上也可能，既不能创生，也不能被消灭，只能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上，而总的灵魂始终保持不变。这似乎为各种教派的生存提供了理论上的支持。确实能量守恒定律的开
20、放性和包容性使其涵盖了各个方面，但是，其实验性却十分有效地阻止了有神论的发展，因为，到目前为止，所有的有神论都无法完成确切有效的实验研究。更何况，能量转化与守恒定律的后续研究发现，所有的能量经过各种转化后，最后都将成为内能（热能），而弥散在空中。从热力学第二定律来看，自发进行的分子运动（看不见的）总从有序向无序发展（不会逆向发展的）。假如灵魂存在，那一定是比分子更小的东西，因此它自发进行的过程也将是从有序向无序的发展过程，因而，只能散去，不可能在集合。除非有外界的力量，将它们再聚集起来，并恢复原状态。因此，任何有神论的学说，都一定存在一个像上帝一样，无所不在，无所不能的人物。而这一任务是否存在
21、，都不能得到实验的证实。因此，能量转化与守恒定律的建立，较好地遏止了有神论的发展，有神论有关的学说已经逐渐被知识化的人们所抛弃。这里也告诉人们，只有尊重科学，才能辨别真伪。但是，在这当中也存在着一定缺陷，要用科学实验来证明，这不是一件容易的事，需要较长时间的等待，这也是有神论在一定的时间内，甚至较长的时间内能够生存的原因。 综观我国宗教的发展，自从鸦片战争后，基督教、天主教大规模、有组织地传入我国，这是帝国主义伴随侵略的一种文化介入。在当前的和平年代，我们应该清楚的认识到，在辨别与接受各种教派的过程中，我们必须崇尚科学，仔细辨别其中的善与恶，真与伪。一个民族，如果不崇尚科学，就会使愚昧孳生，愚
22、昧就如一种传染病，会不断自动蔓延。如果崇尚科学，虽然接受与辨别的过程可能比较长，但是，他用永远不会让愚昧孳生，从而不会被人愚弄。四、能量转化与守恒定律与“低碳”1、为什么要“低碳”?讲到“低碳”，有人就立即寻找英语词汇，其实，中华民族应该具有自己的发言权，勤俭节约一直是我国的传统，“低碳”只是将节约赋予了更新更深刻的含义。能量转化与守恒定律并没有要求人们节约能量，因为各种能量之间是可以转化的，而这种转化似乎并没有什么具体的条件。那么，能量转化与守恒定律与“低碳”有什么关系呢？能量转化与守恒定律的后续研究告诉我们，所以的能量最后都将成为内能，凡是涉及到分子运动的能量（相应的能量转化中一定有内能）
23、转化，自发地进行是有方向性的（不可逆性）。因而，如果地球上的内能不能及时释放，地球上的内能（热能）将越来越多，从而地球越来越热。而热能的增加当今主要是通过碳C的燃烧。所以，要控制地球温度的升高，就得控制碳的燃烧，从而控制二氧化碳的排放。那么，为什么要降低二氧化碳的排放呢？这是因为，全球大气层和地表这一系统就如同一个巨大的玻璃温室，使地表始终维持着一定的温度，产生了适于人类和其他生物生存的环境。在这一系统中，大气既能让太阳辐射透过而达到地面，同时又能阻止地面辐射的散失，我们把大气对地面的这种保护作用称为大气的温室效应。造成温室效应的气体称为温室气体，它们可以让太阳短波（紫外线）辐射自由通过，同时
24、又能吸收地表发出的长波（红外线）辐射。这些气体有二氧化碳、甲烷、氯氟化碳、臭氧、氮的氧化物和水蒸气等， 其中最主要的是二氧化碳。近百年来全球的气候正在逐渐变暖，与此同时，大气中的温室气体的含量也在急剧增加。联想到能源的大量消耗，使许多科学家都认为，温室气体的大量排放所造成温室效应的加剧，是全球变暖的基本原因。最更本的原因是，人类生存的空间必须保持基本平衡。笔者觉得，事情并非这么简单。所先，我们来分析地球上内能的来龙去脉，以及其中的变化因素。地球上内能的主要来源无疑是太阳，地球与任何物体一样，具有反射外来辐射和向外辐射内能的本领，并且，自身温度高，向外辐射多，温度低向外辐射少，同时，地球本身具有
25、一定的调节功能，各种植物通过光合作用，把内能转化为化学能储存起来，各种动物又把各种能量转化为维持生命的能量（储存）和内能（释放）。太阳对地球辐射的能量，我们可以通过理想黑体的模型来估算。已知，太阳的半径为R0=6.96，太阳到地球的距离为d=，地球的半径为RE=6.4，假设太阳表面的温度为TS=6000K。则由太阳的辐射总功率为地球接受到的功率为这一结论是否符合实际呢，我们可以进行下列检验：把地球看作黑体，则，则，地球达到热平衡时的温度（说明：为什么地球辐射功率中不考虑地球内部自己产生的热功率，原因是，地球内部自己产生的热功率与太阳的辐射相比，几乎可以忽略）。这一估算的结果与现实是基本一致的。
26、因此，地球受太阳辐射的功率大约为2，是可以接受的，它相当于地球上60亿人口平均每人消耗3万千瓦，这是非常大的数据，不是人类可以实现的。我们再来进行一项估算：即使不考虑地球对外辐射，让太阳的辐射功率全部使地球加热，已知地球的质量为6，地球上物质的平均比热容取4.2，则根据简单计算可以得出地球每升高1C，也需要大约5000年时间。这说明全球在短期内转暖，并不是整个地球的升温，而是局部的温度升高，整个地球的温度基本是稳定的，它主要决定于太阳。而太阳对地球的辐射作用与地球对外的辐射，在人类研究地球变化的时间内是相对稳定的。地球上局部升温的因素主要在地球自身。地球自身的因素也很多，其中，许多自然现象是人
27、类无法控制的，我们只能从人为制造热量的角度去思考，并理解主要是哪部分在升温呢。 当前，全球能源消耗按照石油来计，已经达到近100亿吨/年，石油的燃烧值约4.5107J/kg。这些能源都在地球表面被消耗，热量大部分都进入了大气，我们来估算大气升温的情况，地球表面大气的总质量约为5.2，大气在常温下的比热容约为1.0103J/kgC。根据上述数据，我们可以估算出，每年消耗这些能源，能够使地球的大气温度约升高0.087 C/年左右，这比专家们估测的地球平均气温上升速度要大的多。专家们测出：19811990年全球平均气温比100年前上升了0.48（约0.0048/年），到2100年为止，全球气温估计将
28、上升大约1.4-5.8。这说明地球对外的辐射能量的本领是比较强的，绝大部分能量能够及时向外辐射，从而使大气温度上升的速度控制在较小的范围，地球气温的升高，并不是能源消耗直接加热空气所至。如果在当前能量消耗的情况下，地球表面所维持的气温比100年前上升了0.48，则说明温室气体并没有阻碍地球对外的辐射；如果是在当前能量消耗的情况下，地球表面的气温持续增加的结果，则可能是温室气体对地球表面温度的调节已经有微弱的变化。如果只是一种偶尔的变化，那必定是其它原因所造成的结果。如果是温室气体造成的结果，温室气体的作用，不是使整个大气层同步升温，而是让地表的大气升温，地球表面的气体占了大部分地球上的气体，按
29、照0.0048C/年的速度同步升温，那么，为什么近年来会出现全球性的冷冬呢？主要原因是，全球地表气温升高，并不是同步的，而是局部的。中国科学院研究员匡耀求认为，目前所有气候模型都存在着两大缺陷：一是忽略了地球气候变暖之后的反馈机制，即温室效应对大气环流和海洋环流的影响；二是地热对海洋环流的影响。“总的趋势还是全球在变暖，只不过，最低温度还在下降，而最高温度还在升高，平均温度还是在升高的。”匡耀求解释，夏季太阳照射北半球，温室效应在北半球的表现就明显比南半球要强烈，北半球升温必然加热北半球的大气，导致大气膨胀。而地球的大气是环绕整个地球表面自由活动的，北半球大气的膨胀必然导致南半球大气的压缩，气体受到压缩的结果是密度增大，密度增大的结果是受到地球的引力更大，因此就会产生下沉气流。高层大气的下沉就是高空寒冷空气的下降，从而导致当地气温的下降，人的感觉就是变冷。他预测，温室效应将会带来更多极端天气，冬天更冷，夏天更热。寒
