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第074章能量守恒原理

他原本是瑞士人，3岁时到俄国，当过医生，在彼得堡执教，他以热化学研究著称。

1836年赫斯向彼得堡科学院报告：“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。”

便于1840年3月27日在一次科学院演讲中提出了一个普遍的表述：“当组成任何一种化学化合物时，往往会同时放出热量，这热量不取决于化合是直接进行还是经过几道反应间接进行。”

以后他把这条定律广泛应用于他的热化学研究中。

赫斯的这一发现第一次反映了热力学第一定律的基本原理；热和功的总量与过程途径无关，只决定于体系的始末状态。

体现了系统的内能的基本性质——与过程无关。

赫斯的定律不仅反映守恒的思想，也包括了“力”的转变思想。

至此，能量转化与守恒定律已初步形成。

而其实法国工程师萨迪·卡诺早在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。”

卡诺未作推导而基本上正确地给出了热功当量的数值：370千克米/千卡。

但由于卡诺过早地死去，他的弟弟虽看过他的遗稿，却不理解这一原理的意义，直到1878年，才公开发表了这部遗稿。

而这时，热力学第一定律早已建立了。

能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。

一般表述为：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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其它物体，而能量的总量保持不变。

也可以表述为：一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。

总能量为系统的机械能、内能（热能）及除机械能和内能以外的任何形式能量的总和。

如果一个系统处于孤立环境，即不可能有能量或质量传入或传出系统。

对于此情形，能量守恒定律表述为：“孤立系统的总能量保持不变。”

能量守恒定律发现于19世纪40年代，它是在5个国家、由各种不同职业的10余位科学家从不同侧面各自独立发现的。

其中迈尔、焦耳、亥姆霍兹是主要贡献者。

迈尔是一位医生。在一次驶往印度尼西亚的航行中，迈尔作为随船医生，在给生病的船员放血时，得到了重要启示，发现静脉血不像生活在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是像动脉血那样新鲜。

当地医生告诉他，这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。

他还听到海员们说，暴风雨时海水比较热。这些现象引起了迈尔的沉思。

他想到，食物中含有化学能，它像机械能一样可以转化为热。

在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。

他已认识到生物体内能量的输入和输出是平衡的。迈尔在1842年发表的题为《热的力学的几点说明》中，宣布了热和机械能的相当性和可转换性，他的推理如下：

“力是原因：因此，我们可以全面运用这样一条原则来看待它们，即‘因等于果’。设因c有果e，则c=e；反之，设e为另一果f之因，则有e=f等等，c=e=f=…=c在一串因果之中，某一项或某一项的某一部分绝不会化为乌有，这从方程式的性质就可明显看出。这是所有原因的第一个特性，我们称之为不灭性。”

接着迈尔用反证法，证明守恒性（不灭性）：

“如果给定的原因c产生了等于其自身的结果e，则此行为必将停止；c变为e；若在产生e后，c仍保留全部或一部分，则必有进一步的结果，相当于留下的原因c的全部结果将＞e，于是就将与前提c=e矛盾。”

“相应的，由于c变为e，e变为f等等，我们必须把这些不同的值看成是同一客体出现时所呈的不同形式。这种呈现不同形式的能力是所有原因的第二种基本特性。把这两种特性放在一起我们可以说，原因（在量上）是不灭的，而（在质上）是可转化的客体。”

迈尔便得出结论，“因此力（即能量）是不灭的、可转化的、不可秤量的客体。”

迈尔这种推论方法显然过于笼统，难以令人信服，但他关于能量转化与守恒的叙述，却是最早的完整表达。

迈尔在1845年发表了第二篇论文：《有机运动及其与新陈代谢的联系》，该文更系统地阐明能量的转化与守恒的思想。

他明确指出：“无不能生有，有不能变无”，“在死的和活的自然界中，这个力（按：即能量）永远处于循环转化的过程之中。任何地方，没有一个过程不是力的形式变化！”

因此他主张：“热是一种力，它可以转变为机械效应。”

迈尔的论文中还具体地论述了热和功的联系，推出了气体定压比热和定容比热之差Cp－Cv等于定压膨胀功R的关系式。

故此我们称R为迈尔公式。

接着迈尔又根据狄拉洛希和贝拉尔德以及杜隆气体比热的实验数据Cp=0.267卡/克·度、 Cv=0.188卡/克·度计算出热功。

计算过程如下：

在定压下使1厘米3空气加热温升1度所需的热量为：Qp=mcpΔt=0.000347卡（取空气密度ρ=0.0013克/厘米3）。

......

未完待续

第076章预告上半圈、下半圈