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热力学第一定律的建立

历史背景

热力学第一定律，表示系统从外界吸收的热量一部分用于增加系统的内

能（），另一部分用于系统对外界作功（）。它也可以被看作是能量守恒定律在涉及

宏观热现象过程中的具体表述，阐述它的建立就应从能量守恒定律的建立开始。

能量守恒定律的建立是科学史上继牛顿力学之后又一次伟大的综合，它的发现是科学史

上激动人心的一页。19世纪40年代以前，自然科学的发展为能量守恒定律的发现奠定了多

方面的基础。

力学的发展为能量守恒定律的建立准备了所必须的基本概念。随着动力学的发展，17

世纪中期曾发生了一场关于运动量度的争论。其中德国科学家、哲学家莱布尼茨（F.von

Leibniz，1646—1716）认为动力应由它所产生的效果来衡量，例如通过力能将一重物举起

多高来估计力的大小。他在与法国杰出的数学家、哲学家笛卡儿（R.Descartes，1596—1650）

学派的争论中，把称为“活力”，并断言宇宙中真正守恒的量是活力。不过，“活力”

这个概念在18世纪是被当作一个形而上学的概念使用的，所以在实际的力学问题和关于机

械效能的讨论中，人们更多地是采用力与路程的乘积这个更具力学直观性的物理量。1782

年，L.卡诺（L.Carnot，1753—1823）把力乘距离称为“活性力矩”，并将它与机械效应联

系起来。这就使这个量在动力学中具有了新的重要性。后来法国科学家科里奥利

（G.G.Coriolis，1792—1843）主张活力应表示为，因为这样一来，它在数值上就会

等于它所能作的功，这就是现在所说的动能。法国工程师彭塞利（J.V.Poncelet，1788—1867）

受到科里奥利的影响，在1829年出版的《工程机械学导论》中，明确地推荐了“功”这一

术语，并定出它的单位。1807年，英国物理学家托马斯·杨（T.Young，1773—）创造了“能”

这个词，用以表示莱布尼茨所述的“活力”，他在《自然哲学讲义》中写道：“应该用能量

一词来表示物体的质量或重量与速度的平方的乘积”。在动力学中引进的另一个重要概念是

“力函数”或“势函数”，1738年，瑞士数学家D.伯努利（D.Bernoulli，1700—1782）在

《流体动力学》中建议用“位势提高”来代替“活力”概念，因此他引入了“势函数”；1755

年，他的学生欧拉（L.Euler，1707—1783）在关于流体力学的研究中，引进了“速度势”函

数。1834年，英国物理学家哈密顿（W.R.Hamilton，1805—1865）也引进了“力函数”，

以表示只与相互作用着的粒子的位置有关的力。到19世纪40年代，“势”的概念得到了普

遍的应用。

18世纪末到19世纪初，自然科学上的一系列发现揭示了各种自然现象之间存在着普遍

联系和相互转化。古代早已发现的摩擦生热现象，直接表明了机械运动向热运动的转化。18

世纪末，英籍物理学家伦福德（C.Rumford，即BenjaminThompson，1753—1814）和戴维

（H.Davy，1778—1829）通过实验进一步证实了这种转化。继伽伐尼（L.Galvani，1737—1798）

发现“动物电”之后，伏打（A.Volta，1745—1827）于1800年制成了“伏打电堆”，这是

化学运动向电的转化。1821年，德国物理学家塞贝克（T.J.Seebeck）将铜导线与铋导线连

成一个回路，用手握住一个结点使两结点之间出现了温差，他发现了导线上出现了电流。用

冷却一个结点的方法可以产生同样的效应，这就是“温差电”现象，是热与电之间的转化。

古人早已发