一分钟了解热力学三大定律（热力学第一定律很伟大）

热力学有四大基本定律，第二基本定律（熵增定律）被称为之“神律”，是最坚不可摧的物理学定律之一，也是当前几乎可以解释（或者说挂钩）包括文明、生命、社会、经济、政治等宇宙一切的普及律，这个我们有时间再说。公认重要性排名第二的则是热力学第一定律，它使得当时的人类对于自然尤其是对能量和力的认识第一次得到了飞跃式的提升，其意义并不亚于万有引力和相对论。

热力学第一定律虽然经常被表述为：热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。但它其实阐述了两个关键性问题：第一，能量是自然界（宇宙）与生俱来的永恒附属品，它不会被谁制造出来，也不会被谁消灭（可以解释宇宙大爆炸的能量来源）。第二，各种能量之间是可以相互转换的，比如热能可以给动能提供动力，而动能还能够再转化成热能，但总量不变。

我们也能看出，虽然热力学第一定律是通过热现象发现的，也挂着热力学的前缀，但它本身（本质上）就是能量守恒定律。能源（能量来源）是人类文明存在和发展的基础，而热力学第一定律构建了能源利用的底层逻辑和大厦。更重要的是，它揭示了自然科学各个分支之间惊人的普遍联系，是自然科学“大一统”理论的第一个伟大的证据。

然而，这样伟大定律却是被主要是被非专业科学家，也就是以我们现在眼光称之为“民科”的人发现的，而且这几个人的运气都不太好。

法国工程师萨迪·卡诺出生名门，其父在法国大革命以及拿破仑时期是政界要人，也是一位著名的数学家。老卡诺曾任政府陆军部长，成功地组织了对欧洲列强来犯的抗击，被誉为“胜利的组织者”。卡诺的弟弟也是一位著名的政治家，其侄儿后来还成了法兰西第三共和国的总统。1824年，卡诺出版了生前发表的唯一一本著作《关于火的动力的思考》。在这本书中，卡诺提出了他的理想热机理论，奠定了热力学的理论基础，还未等他享受学术的光辉，1828年，由于拿破仑的猝然倒台，卡诺的父亲被流放，他本人也黯然退役。

他早在1830年就已确立了功热相当的思想，卡诺在笔记中写道：“热不是别的什么东西，而是动力，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（的形式）。当物体的粒子的动力消失时，必定同时有热产生，其量与粒子消失的动力精确地成正比。相反地，如果热损失了，必定有动力产生。”

他甚至还在手稿中计算了热功当量。但显然命运对于折腾这样一位“曹雪芹”式的人物并未尽兴，两年之后，卡诺突然染上霍乱并很快去世，其手稿和笔记直到1878年才由他的弟弟发现并发表。

最早比较明确提出这一原理的是德国医生迈尔。1840年，他曾经作为随船医生去过爪哇，发现那里的病人的静脉血比他预计的要红得多，因此开始思考动物热问题。可能就是在这些思考中，萌发了能量的所有形式可以互相转换的想法。

1842年，迈尔写了《关于无机界力（能量）的说明》一文，以比较抽象的推理方法提出了能量守恒与转化原理。他说：“力（能量）是原因，因此，我们可以在有关力（能量）的方面，充分应用因等于果的原则……我们可以说，因是数量上不可毁的和质量上可变换的存在物……所以，力（能量）是不可毁的、可变换的、不可称量的存在物。”

迈尔文章的思辨风格使得学界不能接受，第一次投稿时被一家科学杂志退了回来。后来虽然在另一家杂志上刊登了，但没有引起注意。此后，迈尔又写了几篇文章，继续阐述他的能量守恒和转化原理。他的计算和证明更加严格，推广的范围也越来越宽，包括化学、天文学和生命科学。可是，他依然得不到人们的理解。长期的孤军奋战使他精神高度紧张。1848年，迈尔的两个孩子相继夭折，弟弟因参加革命活动而被捕。这使他几乎陷入绝境。1849年，他从三层楼上跳下自杀。人虽然没有死，但两腿严重骨折。1851年，他被送进精神病院接受原始而又残酷的治疗，身心遭受进一步的摧残。

与迈尔几乎同时提出能量守恒原理的英国物理学家焦耳，其遭遇也好不了多少。

1840年，焦耳测量电流通过电阻线所放出的热量，得出了焦耳定律：导体在单位时间内放出的热量与电路的电阻成正比，与电流强度的平方成正比。焦耳定律给出了电能向热能转化的定量关系，为发现普遍的能量守恒和转化原理打下了基础。

1843年，焦耳用手摇发电机发电，将电流通入线圈中，线圈又放在水中以测量所产生的热量。结果发现，热量与电流的平方成正比。这个实验显示了机械做功如何转变为电能，最后转变为热的全过程。在此实验的基础上，焦耳进一步测定了机械功的量，从而第一次给出了热功当量的数值：每千卡热量相当于460千克米的功（将460千克物体提升一米或一千克物体提升460米所做的功）。他认为，热功当量的测定是对热之唯动说的有力支持，也是对能量不灭原理的一个重要表述。

此后，焦耳又以多种方式测定热功当量。1845年，他设计了气体膨胀实验，测得热功当量为每千卡热量相当于436千克米的功。1847年，他设计了在一个绝热容器中用叶轮搅动水的方法，更精确地测定了热功当量。

焦耳的划时代的工作也没有引起应有的注意。也许因为他只是一位业余的实验爱好者，皇家学会拒绝发表他早期的两篇论文。他的关于热功当量测定的论文只得在一家报纸上全文发表。

1847年，在英国科学促进会的年会上，焦耳希望报告一下他正在做的测量热功当量的实验，会议主席只允许他做简短的口头描述。报告完后席间有一位青年人站起来，对报告做出高度的评价。

特别有趣的是，这位青年人就是当时23岁的威廉·汤姆逊，也就是后来明确阐述热力学第一定律并发现热力学第二定律的英国著名物理学家开尔文勋爵。