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发信人: Rg (RedGardenia), 信区: Physics
标  题: 古典物理学原理-第四章、能量守恒原理2
发信站: 哈工大紫丁香 (2004年02月25日13:42:08 星期三), 站内信件

量自然现象联系起来并从中抽取一个最高级的基本原理，那么，我们也不一定受到责难
。这是因为经过严格的审查之后，再用那个基本原理为指南，或许在其可靠的指引下有
可能使我们比较容易地在大量个别事实构成汪洋大海中前进。”[50]
迈耶尔还指出了许多世纪以来的显示把热变为运动的科学技术的经验。
“经验到处都向我们表明机械效应将变为热。与此有关的事实如打击，摩擦生热等，很
久以来就已为人们所知晓，可是难道这些事实还不那么令人信服吗？只要到磨坊去观察
一下变热的磨盘和面粉，到锯木厂看看锯开后变热的木头和看看各个运动的轮子，在其
轴上所产生的一定的热，只要回忆一下仑福德的实验，这些到处相同的现象都在表明：
在消耗机械效应的条件下，可以毫无限制地形成热量。”[51]
但是，更为重要的是从热变为功这一相反的过渡，迈耶尔还谈到了热机的理论。他在这
里比其他地方都更明显地提出了在蒸汽技术和能量守恒与转换定律之间历史上的联系。
“由于人们几乎只局限于运用一些已知的力学效应，所以在千百年的过程中人类总在力
求解决一个相同的问题，即用无机界之辅助手段使静止的质量运动起来。现在把一种更
新的力也归并到旧世界的力（运动的空气，有落差的水）中的使命已落到新时代的肩上
。这个新的，已使我们这一时代的人们惊奇地看到其效果的力，就是热。＂[52]
为计算热的机械当量在《由于物质交换而产生的有机物的运动》一文中迈耶尔把在潜藏
状态下的热和此时在某种压力作用下发生膨胀的气体所做的机械功进行了比较。“假设
由于定容加热到ｔ０度时气体得到热量为ｘ，在定压加热时抬升的重量是ｐ，高度为ｈ
，则在令ｙ＝ｐｈ时为使定压加热升高到相同温度所需之热量就等于ｘ＋ｙ”[53]
在这篇论文中，迈耶尔在此公式中引用了杜隆所求得的数值，并给出了结论，加热１立
方厘米的（水）使其升高一度相当于把１克重的物体升高367米。以后利用雷尼欧更为精
密的研究结果，迈耶尔得出把一克重的物体提升的高度是425米（1308英尺）这样才使所
耗费的机械功相当于１立方厘米空气加热，温度上升１度。”
“我们刚刚看到为把１千克的物体提升到425米的高度要求１个单位的热，或者还可以这
样说，为升起１克重的物体要求１度的热，由此可知，从425米高处落下来的一千克重的
物体，由于冲击则将释放出１个单位的热（１卡）。”[54]热力学第一定律完全包含在
1842年迈耶尔的著作中。当然，他距离赫姆霍茨使热力学第一定律的具有的严格的，完
备的数学形式还很遥远，也没有运用兰金1858年所引用的能量这一术语。但是在科学世
界观上的根本性的变革还是从迈耶尔的工作开始的。
这种变革确实是根本性的，并且不可避免地动摇了自然界的力学表象。对这种表象来说
，作为出发点的概念是自身同一物体的坐标和坐标的改变。热质论就属于这一类概念。
尤其是在以后的一系列理论中，热质的概念和机械论的自然科学的一般前提并无矛盾。
与十七、十八世纪的热质论对立的热之唯动说以明显的形式表现出机械论的趋向。这里
主要是指本质上与宏观运动同一的，不可直接看见的质点运动。热质论把全部非理性都
转移到物质的学说中去，但这里用不着对热质的特性进行力学的解释（从当时自然科学
的立场来看，这是唯一合理的形式）。然而热质运动的学说完全是机械论的。热质从锅
炉转移到冷凝器与任一物体从空间的一个区域转移到另一个区域完全相同。十七——十
八世纪动理学的原子论也同样把非理性转移到物体的学说中去，宏观物体上的区别和状
态是以不可见质点的运动来解释的。但是在由质点构成的性质不明的物质和围绕它的空
间之间还保持一些隐隐约约的区别。运动本身从机械论的自然科学的立场上来看完全是
合理的，即自身同一的质点其坐标随时间改变。
可是在十九世纪后半期热的理论却是另一回事。这里并没有正在被转移着的热质，也不
能把宏观物质状态的改变归结为这些单个质点的位移。这就是说既然绝对的属性不变，
这就不能把自身同一的客体的变化归结为坐标的变化，即归结为在空间中相对位置的变
化。这还意味着通过不变的、绝对的标量所表示的系统和状态不能归结为坐标的相对属
性，进而要求获得独立的实在性。宏观物体就这样作为不可归结（统计上可以归结）为
微观物体的某种东西，以及不可归结（统计上可以归结）为微观状态（即质点的位置、
速度）的宏观状态进入物理学里面来了。这种观点马上就表明是富有成效的，用不着把
热、电、磁的和化学的力归结为机械运动就可以建立起所有的自然力之间联系。
在《由于物质交换的生物的运动》一文的最后几行迈耶尔完全放弃了没有重量的热流体
和电流体的假说“由于要到没有重量的流体中寻求运动和质量间的空间间隔的本质或是
力图对同一客体起先判定是物质的存在，接着又说这一种非物质的存在，这一切难道不
是荒谬透顶吗？”
“我们说出了一个伟大的真理：＂不存在任何非物质＂。我们清醒地认识到这是在向一
些假说之根深蒂固的，已然具有经典资格的强大的权威提出挑战；这是决心要把没有重
量的流体连同自希腊诸神起所遗留的一切从自然教义中驱逐出去。然而同时我们也知道
自然界以及朴素的真相要比一切人工营造，比富有创造的心灵的一切幻想都更壮丽。”
[55]
迈耶尔主要是用一般道理上的理由论证热和机械功的等价性。但是焦尔却走了另外一条
主要是实验的途径。在1843年，焦尔发表了实验结果，这一实验结果证实机械功转化为
热及其数量上的等价性。焦尔测量了发电机电路中所放出的热量。原来热与消耗的机械
功处于一种恒定的关系，接着他又进一步作了相反的实验。焦尔写道：“从这些实验可
以得到一个很明显的结论：热和机械力彼此是可逆的，因而热就是活力或者是某种可以
产生活力的吸引或排斥的状态已是昭然若揭了”[56]
焦尔还测量了液体摩擦时所引起的热，这时所发生的热原来与所使用的液体的性质无关
（焦尔使用了油、水和水银）。在所有的情况下把一磅水升高一度的热量与772磅的重物
下降一英尺所发生的机械力等价。
随后焦尔又确定了在压缩和膨胀时空气温度如何改变。在压缩时空气变热很早就为人们
所知晓，旧的理论用压缩时空气热容量减小来解释这一事实。焦尔用几个简单的实验证
明这种概念并不能解释气体的压缩和它的温度之间的数量关系。要是温度的升高是由于
热容量的减小，那么就可以期待以下的现象出现：一定体积的空气在其压缩时释放多少
能量，在它又膨胀到原来的体积时就吸收多少能量。但实际上，在相反的过程中当空气
通过阀门跑到大气中时吸热甚少。当气体不是跑到大气中去而是跑到真空中去时，那就
根本观察不到任何变冷的现象，（这一情况早就由盖吕萨克建立起来）。从新的理论的
观点看来，这现象很容易解释，在压缩空气时所放出的热量是与压缩时所消耗的机械力
等价的；反之，空气变稀时所吸收的热完全和另一种量等价，这个量恰好是使一定的空
气柱发生位移所必须的功。当被压缩的空气进入真空中时，它实际上并未作功，相应地
也就不吸收热。焦尔所获得的结果可以很明显地代表在蒸汽机中所发生的过程。
“当然，上述原理在认识蒸汽机的正确理论方面更靠近了一步，这是因为上述原理向我
们提供应用通过各个阀门管道时蒸汽的摩擦以及活塞与汽缸壁间的摩擦评价热效应的可
能性，同时还使我们了解到在气体中蒸汽膨胀所耗费的热，在数量上和所完成的机械功
严格成正比”[57]
焦尔首先是一个实验家，但他不是一个经验论者。在最早一批与热相联系的分子运动的
假说中就有焦尔所提出的一个假说。他一开始就设想物质原子被某种绕其旋转的电子气
所包围，而且靠外的一层与温度相对应。后来他用另外的说法代替了这个假说。在1851
年发表的著作中焦尔把粒子热运动描述为在各个方向上都有直线位移，并且温度对应于
这些分子运动的活力。焦尔发展了这一物理图景并运用于气体，这样一来就建立了气体
动力论。

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