能量守恒定律能量守恒定律是谁发现
法国物理学家笛卡尔(R.Descartes,1569~1650)最早提出“运动量”守恒(即动量守恒)的思想。他给人们留下最深刻的印象是:一个粒子体系在不受外力作用时,它们的总运动量保持不变;粒子相互碰撞产生的力通过它们的运动量的改变来量度。 不久,德国物理学家莱布尼兹(G.W.F.Leibniz,1646~1716)对笛卡尔提出挑战,他引入“活力”(VisViva)的概念。他所指的“活力”,是物体的质量与它的速度的平方之积,是一个标量;而笛卡尔的“运动量”是矢量。 莱布尼兹认为“活力”才是“力”的真正量度;物质受的力和它所通过的距离之积等于活力的增量。莱布尼兹的“活力”实质相当于物体的...全部
法国物理学家笛卡尔(R.Descartes,1569~1650)最早提出“运动量”守恒(即动量守恒)的思想。他给人们留下最深刻的印象是:一个粒子体系在不受外力作用时,它们的总运动量保持不变;粒子相互碰撞产生的力通过它们的运动量的改变来量度。
不久,德国物理学家莱布尼兹(G.W.F.Leibniz,1646~1716)对笛卡尔提出挑战,他引入“活力”(VisViva)的概念。他所指的“活力”,是物体的质量与它的速度的平方之积,是一个标量;而笛卡尔的“运动量”是矢量。
莱布尼兹认为“活力”才是“力”的真正量度;物质受的力和它所通过的距离之积等于活力的增量。莱布尼兹的“活力”实质相当于物体的动能,其数值等于动能的两倍。后来J.伯努利(J.Bernoulli,1667~1748)将“活力守恒”当作莱布尼兹的“活力”原理的一个推论提出,他认为当活力消失后,它并没有丧失作功的本领,而是变成了另一种形式。
显然,J.伯努利扩大了莱布尼兹的“活力”所指的范围,把势能也列入了活力的范畴。
笛卡尔和莱布尼兹的争论持续了半个世纪,最后调合双方的是数学家达朗贝尔(J.L.D’Alembert,1717~1783)。
他指出这场争论只不过是术语的问题,实质问题是统一的,因为笛卡尔的“运动量”是力对时间的积分,而莱布尼兹的“活力”是力对空间线度的积分。这里面蕴藏有冲量积分的思想。
1787年,法国数学家拉格朗日(J.L.Lagranage,1736~1813)在《分析力学》一书中证明,在某些粒子系统中,每一个粒子相对于参照系的位置和速度的函数,不管发生什么运动总是保持不变。
这个函数是两部分之和,一部分表示运动的动能,另一部分表示势能(当时还没有“动能”和“势能”这两个术语)。这个函数是拉格朗日函数,它对速度的偏微商等于笛卡尔的“运动量”,即现在所称的动量。由此可见,“活力”守恒或机械能守恒原理,就是由拉格朗日等一些数学家和力学家提出来的。
1807年,杨(T.Young,1773~1829)创造了“能”这个词。1826年,蓬瑟勒(J.V.Poncelet,1788~1867)又创造了“功”一词。从此以后,机械能守恒定律就不仅是数学家著作中那种抽象的、广义的函数形式,而是物体的具体运动形式和规律的直观写照了。
随着热机的发明及热机的广泛商用,英国爆发了第一次工业革命;与此同时,化学家们开始了对热的性质的研究,物理学家们也初步着手研究热与机械能的关系。这时对能量转化现象的观察已经超出了机械能的局限范围。
1798年,隆福德伯爵(CountRumford,即B.Thompson,1753~1814)在一篇题为《关于用摩擦产生热的来源的调研》中报道了他的机械功生热的实验。他曾在慕尼黑军工厂金工车间,用数匹马力带动一个钝钻头给一颗弹头打洞,弹头浸在华氏60°的水中,他发现经过一小时后,水温升高了47°F,两个半小时后,水就开始沸腾。
这表明机械功可以转化为热能。隆福德伯爵由此对热质说提出质疑,因为他看到的现象是热可以不停地产生,只要机械功不停的话,从弹壳里产生的热就会取之不尽。他最后形成了这样一种思想:热是物质的一种运动形式,是粒子的振动的一种宏观表现。
究其思想根源,它来源于化学家鲍尔哈夫(H.Boerhaave1668~1738)在1732年发表的一篇论文,鲍尔哈夫在那时就已经暗示热的本质是振动。
可是,隆福德伯爵的正确见解在半个世纪中未得到普遍承认,主要因为热质说盛行。
热质说是法国大化学家拉瓦锡(A。L。Lavoisier,1743~1794)在1780年发表的《论热》(SurLaChaleur)的论文中提出来的。他根据布莱克(JosephBlack,1728~1799)的量热学实验和他自己的比热实验(比热一词是拉瓦锡最先引进的),似乎看出热是一种粒子,它可以从一个温度较高的物体流进一个温度较低的物体。
他进而假设:“热质(或称热素)是一种极细微的、没有质量的粒子,它们相互排斥但又与物质粒子相互吸引,从而削弱了物质粒子间的万有引力;它们绝大多数以潜在的形式潜伏在物体中,一旦受激就会溢于物质表面变成自由形态,使物体温度升高;热质既不能产生,也不会消灭,热质在总量上是守恒的”。
拉瓦锡的热质学说在法国的影响最深,但在英国一般是被否定的。
伏打电池的发明(1800年)给揭示能量转化与守恒现象开拓了更广阔的前景,热、光、电、磁和化学结合,生物的生命力在能量概念的基础上开始逐步统一起来。
卡里斯尔(A.Carlisle)和尼柯尔逊(W.Nicholson)电解水的实验(1800年)表明电能和化学能可以相互转化;奥斯特(H。Oersted)发现的电流磁效应(1820年)表明电能与磁能存在某种可转化的关系;法拉第的电磁旋转现象(1821年)第一次揭示了电磁能转化为机械能的可能性;塞贝克发现的温差电(1822年)证明热能可以转化为电能、法拉第在1831年发明第一台直流发电机,第一次实现了机械能向电磁能的转化。
焦耳测量焦耳热的实验,以精确的结论总结了化学能、电能和热能之间的关系。1845年法拉第发现的磁致旋光现象,更深地揭示了电、磁、光三者之间的作用关系……所有这些表明,19世纪的能(或力)的概念已不像17世纪那样仅仅局限于机械能的范畴,也不像18世纪那样局限于机械能和热两项内容。
因此,这就要求物理学家收集各个领域的发现,归纳它们的数据,从中抽象出一个既能表征各种现象的基本特点,又能表示各种力(或能)相互转化的精确形式。在这方面,卡诺、迈耶、焦耳、威廉·汤姆孙、克劳修斯,特别是亥姆霍兹作出了主要贡献。
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