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          能量守恒定律——亥姆霍茲

          來源:顆粒在線 3850 2019-08-31

          ??能量守恒定律是自然科學(xué)中最基本的定律之一。它科學(xué)地闡明了運動不滅的觀點。它可表述為:在孤立系統(tǒng)中,能量從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式,從一個物體傳遞到另一個物體,在轉(zhuǎn)換和傳遞的過程中,各種形式,各個物體的能量的總和保持不變。整個自然界也可看成一個孤立系統(tǒng),而表述為自然界中能量可不斷轉(zhuǎn)換和傳遞,但總量保持不變。

          從18世紀(jì)末到20世紀(jì)40年代,來自6個國家的10多位科學(xué)家從不同角度或否定熱質(zhì)說或獨立地提出了能量守恒觀點。

          俄國化學(xué)家杰曼·蓋斯(Germain Hess)于1836年發(fā)現(xiàn),任何一個化學(xué)反應(yīng),不論是一步完成,還是幾步完成,放出的總熱量相同,即證明了能量在化學(xué)反應(yīng)中是守恒的,被認(rèn)為是能量守恒定律的先驅(qū)。

          德國物理學(xué)家、醫(yī)生尤利·邁爾(Julius Mayer),于荷蘭遠(yuǎn)航東印度船中任船醫(yī)時,在熱帶地區(qū)看到海員靜脈中的血紅于在歐洲時,他聯(lián)系到L.A.拉瓦錫的燃燒理論,認(rèn)為機(jī)體需熱量小,食物氧化過程減弱,靜脈血中留下較多的氧,從而想到食物中化學(xué)能與熱能的等效性。又從海員談話中聽到海水在暴風(fēng)雨中較熱,想到熱和機(jī)械運動的等效性,1841和1842年連續(xù)寫出論自然力(即能)守恒的論文,并從空氣的定壓和定容比熱之比,推算出熱功當(dāng)量為1卡等于365克力·米。因此邁爾是公認(rèn)的第一個提出能量守恒并計算出熱功當(dāng)量的人。

          詹姆斯·焦耳(James Joule)是英國的酒商和業(yè)余的物理學(xué)家,從1837年開始就研究電流產(chǎn)生熱量,以后又用多種機(jī)械裝置反復(fù)測定熱功當(dāng)量,一直工作到1878年,終于精確地測定了熱功當(dāng)量值(他用的是英制,換算后為4.51焦/卡),和現(xiàn)代值很近,從而為能量守恒奠定了鞏固的實驗基礎(chǔ),因此也被公認(rèn)為是發(fā)現(xiàn)人之一。后人為了紀(jì)念他,把能量或功的單位命名為“焦耳”,簡稱“焦”;并用焦耳姓氏的第一個字母“J”來標(biāo)記熱量以及“功”的物理量。

          德國生理學(xué)家、物理學(xué)家赫爾曼·亥姆霍茲(Hermann Helmholtz)在不了解邁爾和焦耳的研究情況下,從永動機(jī)不可能出發(fā),思考自然界不同的力(即能)間的相互關(guān)系。在專著《力的守恒》中提到張力(今稱勢能)和活力(即動能)的轉(zhuǎn)換,還深刻地闡明熱的本質(zhì):“被稱為熱的量的,一部分是指熱運動活力的量,另一部分是指原子之間張力的量。這些張力在原子的排列發(fā)生變化時能引起熱運動,第一部分相當(dāng)于稱之為自由熱的部分,第二部分相當(dāng)于稱之為潛熱的部分?!彼€分析了在電、磁和生物機(jī)體中的力的守恒問題。雖然他作為系統(tǒng)并完整地闡述了能量守恒定律的第一人,但是他仍把發(fā)現(xiàn)定律的優(yōu)先權(quán)讓給邁爾和焦耳。

          赫爾曼·亥姆霍茲(Hermann Helmholtz),德國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、生理學(xué)家、心理學(xué)家。1821年8月31日出生于德國柏林波茨坦,中學(xué)畢業(yè)后由于經(jīng)濟(jì)上的原因未能進(jìn)大學(xué),在軍隊服役8年后被推薦進(jìn)入柏林皇家軍事醫(yī)學(xué)院學(xué)習(xí)。1842年獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)位后,被任命為波茨坦駐軍軍醫(yī)。

          1847年7月23日,亥姆霍茲在德國柏林物理學(xué)會宣讀了題為《關(guān)于力的守恒》論文,他從否定永動機(jī)出發(fā),第一次以數(shù)學(xué)方式提出了能量守恒定律,他不是提出能量守恒定律的第一人,但是最關(guān)鍵的人。亥姆霍茲全面而精準(zhǔn)地總結(jié)了許多前人的工作,把能量概念從機(jī)械運動推廣到所有變化過程,并證明了普遍的能量守恒原理。

          亥姆霍茲還創(chuàng)造了聲學(xué)史上的新紀(jì)元,他在1863年出版的《論音的感覺》中說明,樂音是有空氣的周期運動引起的,他以音強(qiáng)、音調(diào)、和音質(zhì)來區(qū)分樂音; “拍”的研究導(dǎo)致亥姆霍茲得到新的和聲理論。李政道先生曾這樣評價亥姆霍茲:物理與音樂共鳴,聲波與科學(xué)交響。亥姆霍茲用科學(xué)家的頭腦和藝術(shù)家的心靈真正把藝術(shù)與科學(xué)、音樂與物理學(xué)緊密融合。

          亥姆霍茲的成就被國際學(xué)術(shù)界所承認(rèn),1860年他被選為倫敦皇家學(xué)會會員,并獲該會1873年度科普利獎?wù)隆?887年,亥姆霍茲任德國國家科學(xué)技術(shù)局主席。在該局工作中他十分重視基礎(chǔ)理論的研究。1894年9月8日,亥姆霍茲在柏林夏洛滕堡逝世,享年73歲。


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          科普利獎?wù)拢–opley Medal):是英國皇家學(xué)會頒發(fā)的最古老的科學(xué)獎之一??破绽勈强茖W(xué)成就的最高榮譽(yù)獎、世界上歷史最悠久的科學(xué)獎項。1731年以皇家學(xué)會的高級會員戈弗里·科普利爵士的遺贈設(shè)立。每年頒發(fā)一次,為一枚鍍金銀質(zhì)獎?wù)潞?00英鎊獎金(這在當(dāng)時是相當(dāng)大數(shù)額的一筆獎金), 授予專為申請此獎而進(jìn)行的自然哲學(xué)研究成果。獲獎成果都需發(fā)表過,或向皇家學(xué)會通報過。獲獎項目需經(jīng)皇家學(xué)會理事會評定,所以現(xiàn)職理事會成員不得獲獎,以防止不公正。


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