6.2 能量守恒定律的第一个发现者——卡诺

能量守恒定律的发现与工业革命有关，工业革命起源于机器和蒸汽机的发明。

1765年，哈格里夫斯发明了一架能够同时带动16~18个纱锭的手摇纺车，取名为“珍妮”机。1769年水力纺纱机也发明了。后来，克隆普顿综合了珍妮机和水力机的优点，发明了可以带动300~400个纱锭的自动纺纱机。在棉纺机发明的推动下，1785年，又发明了织布机。

机器的发明和采用，产生了一个尖锐的矛盾，即动力不足，为了克服这一困难，1769年，瓦特在纽科门蒸汽抽水机的基础上，发明了瓦特蒸汽机，1783年，棉纺工业开始使用瓦特的蒸汽机作为动力。

英国的工业革命，从18世纪60年代开始，到19世纪30年代末，经历了70～80年的时间，终于基本完成。工业革命的完成也推动了自然科学的发展。蒸汽机时代的特征，给科学的发展打上了深深的烙印。热力学就是在蒸汽机的应用和改进的过程中发展起来的。能量守恒定律，即热力学第一定律就是在这一历史背景下发现的。

发明了蒸汽机之后，为了提高热机效率，人们便开始对热进行研究。然而，人类对热的本质的认识，却走过一段曲折的道路。

1754年，英国一位医生布莱克提出了关于热的一种新学说——热质说。他认为，热是一种特殊的“物质”。在此之前，热和温度被看成一个东西。布莱克第一次把这两个概念区别开来。他研究了冰的融化和水的汽化，发现冰在融化时吸收了大量的热，但本身并没有变得更热，温度没有升高。水变成蒸汽，也有类似的情形。由此他得出结论：热是一种物质——“热质”，它与冰结合，就成为水；它再与水结合，就成为汽。

布莱克还从实验中得到了比热容的概念。所谓比热容，就是把一个单位物质的温度提高一度所需要的热量。布莱克关于比热容的学说，使人类对热的认识进入到定量的阶段，这是他对科学的一个重要贡献，但也因为这一点，使得热质说变得流行起来。在其后的一个世纪，热一直被看作是一种神秘的物质，而不是被看作是物质的运动形式。

19世纪20年代，法国一位工程师卡诺，在研究蒸汽机的过程中，发现了能量守恒和转化定律。

最初，卡诺也是一个热质说的信徒，他把热看作一种流质，并同水进行了比较。他在1824年发表的《关于火的动力和发动这种动力的机器》的论文中，认为蒸汽机里的热是从高温部分（锅炉）流向低温部分（冷凝器），从而使蒸汽机获得了机械功。水从高处流向低处推动水车时，它的总量是不变的；热从高温热源流向低温热源而获得机械功时，热的总量也是不变的。在这篇文章中，卡诺已涉及热能和机械能相互转化问题，并接触到了热功当量。但是，由于他相信热质说，此时他并没有真正理解自己的工作。

1830年，卡诺终于放弃了热质说，他在笔记中写道：“热不是别的什么东西，而是动力（能量），或者可以说，它是改变了形式的运动。它是（物体中粒子的）一种运动。如果物体的粒子的动力被摧毁了，必定同时有热产生，其量正好准确地同被摧毁的动力的量成正比；反过来说，如果热损失了，必定有动力产生。”

卡诺继续写道：“人们由此可以提出一个普遍的命题；动力（能量）是自然界的一个不变量，准确地说，它既不产生，又不能消失。实际上，它只改变它的形式，这就是说，它有时引起一种运动，有时引起另一种运动，但它绝不消失。”

从这里不难看出，此时的卡诺已经认识到热是一种运动，并且发现了能量守恒定律。然而遗憾的是卡诺的工作还没来得及发表，一场霍乱瘟疫便夺取了这位年轻科学家的生命。1832年，卡诺不幸去世。虽然卡诺第一个发现了能量守恒规律，由于他过早的死去，人们无法了解他的工作。他的弟弟虽然看过他的遗稿，但不理解他的工作的重要意义，直到1878年，卡诺遗留的手稿才公开发表，但这时能量守恒定律已被物理学界普遍接受，卡诺的手稿中已经没有新奇的东西了。