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年，德国）发现了温差电现象，证明热可以转化为电。1840年，焦耳定律指
明电转化为热的规律。1821年，法拉弟（1791—1867年，英国）发明了“电
磁旋转器”，表明电转化为机械运动；1820年，奥斯特（1777—1851年，丹
麦）发现了电流的磁效应，后来法拉弟完成了电磁感应定律的研究，从而证
明电和磁间的相互转化；1801年，李特尔（1776—1810年，德国）研究了紫
外光的化学作用；1839年，贝克勒尔（1820—1909年，法国）发现光照可以
改变电池的电动势等等。这一切启发欧洲的科学家们以一种“统一”的和“相
互联系”的观点去认识自然界的现象。
19世纪40年代，属于欧洲几个国家的十多位学者，从不同专业，用不
同的方式，各自独立地发现了能量转化与守恒定律，其中的代表者是迈尔、
焦耳和亥姆霍兹。
罗伯特·迈尔（1814—1878年，德国）是一位医生。1840年他作为随船
医生航行至印度尼西亚，在赤道附近他意外地注意到海员静脉的血比在欧洲
时要鲜红些。当时已经证明血的颜色鲜红表明血中含氧量高，迈尔想到一定
是在热带肌体消耗的热量较少，所以食物燃烧过程减弱，耗氧量少，静脉血
中留下的氧增多，颜色就鲜红。1841年他在一封信中写道：化学家们认为的
基本规律是物质不可破灭的……我们应该把完全同样的规律用在力上。力同
物质一样，也是不可破灭的，它们加入不同的组合，当某种旧的形式消失了，
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又会形成新的形式。”这里说的力是指能量。显然他从上面的例子已经认识
到食物所含的化学能可以转化为热。后来他又从海浪冲击使水温升高的现象
认识到机械运动与热的关系。
1841年，他的第一篇论文《论力的量和质的定义》没有被接受。1842
年，他在《论无机界的力》中写道：“力是不灭的、能转化的、无重量的客
体”。这篇论文发表在李比希主编的 《化学与药学年鉴》上。恩格斯因此认
为这是划时代的一年。
1845年，他自费出版《论有机运动和新陈代谢》一书。他指出，力的转
化与守恒是支配宇宙的普遍规律。他把力分为五种：运动的力，在弹性碰撞
上表现为活力守恒；下落的力，它和运动的力相互转化，这种“机械效应将
保持为一个恒量”；热，“热力是指转化为运动的力”；电力和化学力。他
还把这五种力画在一张表上，说明各种力相互转化的25种情况，得出了否定
热质和其它无重量流质假说的结论。
迈尔从几个实例出发计算了热功当量，他得到的计算值是J＝3。48焦耳/
卡。
迈尔个人的遭遇是不幸的，多次受到嘲讽和打击。1849年，他跳楼自杀
时受伤，不久被送进疯人院，直到1862年才恢复科学活动。
焦耳（1818—1989年，英国）是曼彻斯特一位啤酒商。从年轻时起就从
事电学、磁学和化学的业余研究，他用毕生精力完成了热功当量的测定，从
而确立了能量转化与守恒定律的实验基础。
从1840年到1841年，焦耳研究了电转化为热的现象，他发现了著名的
焦耳定律。1843年，他发表了《论磁电的热效应和热和机械值》一文，他设
计了一个实验，使线圈在一个电磁铁的两极间转动，所产生的感生电流又使
线圈发热，焦耳测量了线圈中产生的热量；线圈的转动是由下落的砝码通过
滑轮带动的，这样就可以计算出砝码作的功。由此计算出的热功当量平均值
是“能使一磅水升高华氏一度的热量，等于（可转化为）把838磅重物举高
1英尺的机械力。他最后的结论是：“由于创世主的意志，自然界的全部动
因是不变的。因此，有多少机械力被消耗掉，就有完全等量的热被得到”。
他在1845年研究了空气的绝热压缩和真空中空气自由膨胀实验，得到热
功当量的值是436千克米/千卡和438千克米/千卡。1850年，他在《论热功
当量》的论文中总结了全部工作，并在文中给出了现在教科书所介绍的测定
热功当量的方法，这一次的结果是425。77千克米/千卡。焦耳的实验测定一
直延续到1878年，前后40年中共完成400多次实验。焦耳的工作一度不受
重视，直到1850年他的观点才被权威学者们接受，他本人在这一年当选为英
国皇家学会会员。
赫尔姆霍茨（1821—1894年，德国）是一位生理学家、物理学家及数学
家。他通过生理学的研究独立地得到了相同的结论。1847年，他写了《论力
的守恒》，论述力的不灭原理，他说：“所有活力和张力之和始终是一个常
数。这条最具有普遍形式的定律，可以称为力的守恒原理。”所谓“张力”
即指势能；所谓“活力”即指动能。他还证明：在有摩擦的条件下，“损失
掉的活力将转变为其它力 （能量），首先是热”。当这一著作出版时，柏林
科学院中竟然只有数学家雅可俾支持他的观点。
在同一历史时期几乎同时发现这一定律的还有法国工程师卡诺、英国律
师格罗夫、丹麦物理学家柯尔丁、法国物理学家法拉弟等十多人。这里要特
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别提到青年工程师卡诺（1796—1832年，法国）的贡献。卡诺原是“热质说”
的拥护者，但通过热机循环的研究，使他在1830年意识到“热质说”的错误。
他在笔记中写道，“热不是什么别的东西，而是动力，或者说它是改变了形
式的运动”，“因此，人们可以得到一个普遍的命题：在自然界中存在的动
力，在量上是不消灭的。准确地说，它既不会创生也不会消灭，实际上，它
只改变了自身的形式”。不幸的是卡诺英年早逝，他的遗稿直到1873年才公
布，其时能量守恒定律早已得到公认。
在19世纪人们提到能量往往使用力这个词表述，事实上在1807年英国
的托马斯·杨已创造了“能”这个术语。当科里奥利定义了“功”后，托马
斯·杨于是定义能量是“作了功的力”。1853年，英国的理论物理学家开尔
文（1824—1907，英国）对能量下了严格的定义，“我们把给定状态中的物
质系统的能量表示为：当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个
固定的零态时，在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用的总和。”
自这时起人们使用“能量守恒”这个词而很少说“力的守恒”。
能量转化和守恒定律的发现是19世纪最伟大的发现之一，也是自牛顿力
学建立以来物理学的最重要的成就。它表明自然界的一切现象都存在密切的
联系，一方面各种物质的各种运动形式，例如机械的、电的、热的、磁的等
等在一定条件下发生相互转化。另一方面各种运动可以用同一个概念“能量”
去量度，并且物质世界的总能量在一定条件下守恒，从而证明了物质世界的
同一性和物质运动的永恒。恩格斯强调了能量相互转化的重要性，他说：“自
然界中所有无数起作用的原因……现在都已经证明是同一种能（即运动）的
特殊形式，即存在方式；我们不仅可以证明，它在自然界中经常从一种形式
转化为另一种形式，而且甚至可以在实验室中和工业中实现这种转化，使某
一形式的一定量的能总是相当于另一形式一定量的能。”因此，“自然界中
整个运动的统一，现在已经不再是哲学的论断，而是自然科学的事实了。”1
2。热力学的建立与发展
19世纪初，蒸汽机在生产中的作用日益重要，人们迫切要求提高蒸汽机
的效率，于是在法国首先诞生了热机理论，并奠定了热力学的理论基础。
法国工程师萨迪·卡诺完成了对蒸汽机的抽象研究。他在1824年出版了
《关于火的动力思考》一书，他强调为了以最普遍的形式去研究由热得到运
动的原理，必须“建立起能应用于一切可以想象的热的热机原理，不管它们
用的是什么物质，也不管它们如何运转”。他设计了一部经过抽象化的理想
热机，没有任何漏汽，没有摩擦损失，能用完美的循环方式工作。
卡诺基于这样一个原理：“凡有温差的地方就能够产生动力”，他认为
“热的动力依赖于所用的热质的量和我们可以称之为热质的下落高度，即交
换热质的物体之间的温度差”，“在此基础上他设计出著名的卡诺循环，并
依据热质守恒和永动机不可能原理证明了卡诺定理。这一定理表述为：任何
工作于两个温度之间的热机的效率都小于理想热机的效率。
显然卡诺的理论是以错误的热质说为基础的。后来他自己也意识到这一
点，终于在1830年抛弃热质说而转向热的运动说。
1①恩格斯： 《自然辩证法》，《马克思恩格斯选集》第3卷第526页，人民出版社1972年版。
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卡诺关于热机理论的研究，无论在实践上和理论上都是极重要的，从而
促使物理学家们对热的规律作深入的探讨。克劳修斯 （1822—1888，德国）
指出：“实际上很难完全抛弃卡诺的理论，因为它在某种程度上已很好地为
实验所证实”。1850年，克劳修斯对热机的工作过程重新作了分析，他说：
“功的产生很可能伴随着两种过程，即一些热量被消耗了，另一些热量从热
物体传到了冷物体”。他把这一关系写成微分方程：dQ＝du＋dw。dQ表示传
热，dw表示所作的功，du是由变化的初态和终态所确定的，后来W·汤姆逊
（开尔文）把这个函数叫做物体的能量。这一原理成为热力学的基础，叫做
热力学第一定律，实质上就是能量转化与守恒定律。
为了证明卡诺定理，克劳修斯和汤姆逊引入了一条新的原理。1851年，
汤姆逊把这一原理表述为“一台不借助于任何外界作用的自动机器，把热从
一个物体传到另一个温度比它高的物体，是不可能的。”克劳修斯在 1875
年则表述为“热不可能自动地从冷的物体传到热的物体”，这一原理后来叫
做热力学第二定律。
第一定律表明封闭系统中能量是守恒的；第二定律表明能量的转化是按
一定方向进行的，热不会自发地从低温传向高温。
1854年，克劳修斯从卡诺的理想热机效率公式出发，得到对任意可逆循
环过程下的积分方程
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3。分子运动论和统计物理学
自1811年意大利科学家阿伏伽德罗定义了分子概念之后，赫拉帕斯
（1790—1868，英国）就在1816年至1821年间提出了较系统的分子运动论，
他的主要假设是：气体的分子是以很大速度做直线运动；热是由分子的运动
引起来的一种现象，热与原子的动量成正比。他导出了等温条件下理想气体
定律；提出温度与分子的速度成正比；还定性地解释了物态变化、扩散等现
象。但他的工作并没有引起重视。
焦耳研究了赫拉帕斯的假设，他计算了在0℃和1个大气压下氢原子的
速率，进而证明气体的体积与压力成正比；分子的速率与温度的平方根成正
比的结论。1851年，他的论文发表在一种哲学刊物上，因而也未引起重视。
在19世纪后半期，系统的分子运动理论，主要是由克劳修斯、麦克斯韦
和玻尔兹曼建立起来的。
1857年，克劳修斯在《论热运动形式》的论文中发展了气体分子运动理
论。他认为分子质量很小，每一次与器壁的碰撞作用微不足道，但在单位时
间里大量分子对器壁碰撞的总效果产生了气体的压力。他还指出单个分子的
碰撞是无规律的，而系统的宏观性质是由大量分子运动的平均值来确定。这
样，他首次将统计概念引入到物理学中。在这一�