守恒的终极形式

詹姆斯·焦耳探索物理世界的原因很实际。作为19世纪英格兰北部的一名啤酒制造商，焦耳非常热衷于研究如何更好地运用工业革命的新技术来最大化他的利润，而他对热的研究又反过来促进了科学的革命。

在焦耳开始研究前的数十年间，大多数物理学家都认为热是一种流体，自然地从温度高的区域向温度低些的区域流动，大致上就和水从高点流向低点差不多。这种热质说的核心假设是，热不会被毁灭，也不能被创造。

焦耳在19世纪40年代进行的试验结果对上述观点提出了强烈质疑。焦耳提出，事实上，只要开启一台简易涡轮机就可以产生出新的热。当时，英国本土的同行们对此论断纷纷表示怀疑，但欧洲其他地区的科学家们得出了和焦耳相似的结论。几十年之前，本杰明·汤普森（拉姆福德伯爵）已经注意到使用机器在黄铜大炮上钻孔时会产生热的现象。朱利叶斯·罗伯特·冯·迈耶和赫尔曼·冯·亥姆霍兹也得出了相似的观察结果。

亥姆霍兹意识到，这些试验给出了某个普遍原理层面上的暗示。热的确能被创造和毁灭，但从一个更加宽泛的意义上来说，能量不能被创造或毁灭，它只是改变了形式（参考阅读：质能方程式，第138页）。亥姆霍兹所得出的结论对后世产生了深远的影响。能量守恒定律在短短几年内就被广为接受，如今成为热力学第一定律。

涡轮机发动的时候，会因摩擦而产生热。(www.daowen.com)

焦耳为研究热的本质而做的最为著名的一场试验却是相对简单的。他先用线将砝码和涡轮机相连，然后将连接好的涡轮机放入一只绝缘桶中，并注满水。砝码掉下，桶内的涡轮机便会转动。此时，焦耳记录下一个数值的变化——桶中水温的升高。这一变化细节非常重要，如今科学家们明白它就是涡轮机叶片在水中转动所产生的摩擦力带来的的热。焦耳“创造”了热，但关键是他并没有创造能量。在使用一根线来悬挂砝码时，焦耳赋予了砝码“潜在”的能量。当它掉落时，这种能量也消散开，其中的一部分加热了桶中的水。

参考阅读//

No. 63 热力学第二定律，第130页

能量可以改变其形式。但热力学第一定律认为，从广义上讲，能量绝对不可能被创造或者毁灭。