“科学在没有历史知识的情况下取得进步的可能性也许更大，甚至常常是确实取得了进步较之人类其它活动的领域更加常见——，但是，一旦有了这种知识，就能影响未来的方向和科学道路。正确地理解历史的教训，科学的进步就会更快更稳。”                   

 J. D. Bernal

物理理论的发展体现在普遍的能直接加以记载的物理现象和过程的普及化与抽象化的尽可能高的程度上。这种趋向的存在是合乎规律的，因为“一切科学的抽象都更加深刻、更加正确、更加完整地反映大自然”（列宁）。

抽象的趋向导致人们过分强调理论的形式机制，而忽视物理的内容。特别是对于初学理论的人和要创造性地发展理论的人来说，这是有害的。

了解科学发展史能够避免这种消极后果，因为科学能够大大促进对理论的物理内容的认识。下面我们想就此谈一谈热力学重要概念和基本定律的形成。在此同时，我们必然要探讨这一发展与社会需要的联系。

还在原始社会，人们就将力能转变为热，以此运火。那时人们已经不依赖自然（如雷雨或火山爆发）引起的火。

这种程序的转换——将热转变为机械能——只是在奴隶社会人们才自觉地加以应用。诸如希隆的喷灯或者自动开关庙门的装置等发明都主要用于消遣，作为有趣的玩具或作为对奴隶思想施加影响的工具。奴隶社会决定性的能源是奴隶的体力。这种能量充足得很，因而没有必要去开发利用新的能源。

与此相适应，热理论也停留在最初阶段。菲罗 · 冯 · 比参茨（约生活于公元前170年前）和希隆 · 冯 · 亚历山大（约生活于公元前150 ~ 100年）发明了第一批热量仪——用于热量程序质量的检验。但是，这种仪器闲S了十七个多世纪，没有在实践中应用，没有继续发展。

全世界最惊人的作品

随着封建制度的形成，对劳动力的需求量增加了。这特别刺激了手工业的发展。人们转而大规模利用水能、风能和畜力能。在这个基础上——由于技术革新（如马具、马蹄铁、指南针、八浆船、大炮、造纸和印刷）的促进——资本主义生产方式的因素便应运而生。商业、采矿和军工都得到发展。

这一经济发展促进了科学的新生。首先是以力学和天文学为中心，因为社会（特别是贸易和战争）极需这两个学科的研究成果。

这种利用科学知识的客观兴趣促使人们16世纪末大批地——首先在意大利——再版和翻译希隆的著作。加姆巴提塔 · 鲍尔塔（1538 ~ 1615），沙罗蒙 · 德 · 卡斯（1576 ~ 1626），李万尼 · 布兰卡（生于1571）和沃尔蔡特（1601 ~ 1669）设计了——依据希隆的成果和过去的实践经验——一些气泵，气动装置和气压喷水池。他们通过实验证实了水蒸气的膨胀力。沃尔蔡特把他所设计的气泵称为“全世界最惊人的作品”。

与此同时，一些学者和发明家——如G. 伽利略（1592），鲍尔塔（1606），戴贝尔（1608），沙陶里欧（1612）——模仿设计了菲罗和希隆的热量仪。这些都是无密封大气温度计。其缺点是温度计的指示数字受大气压影响极大，并且其校准起初是随意进行的。

温度计的进一步发展尤其应归功于佛罗棱萨科学院院士们的研究成果（1657 ~ 1667）。他们设计了以酒精体积的温度关系为依据的液体温度计。这种温度计起初还是敞开的，后来密封了，从而远远脱离了气压的影响。

除了热物质外，佛罗棱萨科学院院士们还检测了其它液体物质。他们把佛罗棱萨城一年内温度的最低和最高值作为划分温标的定点。在实际测定中人们发现，一些混合物（如水 - 冰混合物）往往具有相同的温度。1694年，该科学院院士伦纳第尼（1615 ~ 1698）建议，选择水的冰点和沸点作为定点。吹玻璃工法伦海恃（1686 ~ 1735）制成了一一可能受欧拉夫 · 罗曼的影响一第一批完全相同的酒精和水银温变计，采用了今天还很流行的形状。在此他使用了好几个不同的定点。摄尔苏斯（1701 ~ 1744）又提出将水的溶点和沸点作为定点。他把熔点定为100度，把沸点定为0度。1750年，他的学生摄特列门调换了该定点，创造了今天还通用的温标——摄氏温标。不久，人们就把温度计一一像希隆的时代一样——用于气象观察。而首先把温度计用于测量体温的是威尼斯医学教授萨透里。这与温度概念已经在古代医学以及随后的阿拉伯和中世纪医学中占有重要的地位有关。降温和升温作用被看作是药物的最重要的特性。人们通过混合来达到所需的度数。

不仅体温测量，而且弄清人体内温度的变化对疗效也是极其重要的。因此，医学对研究温度有极大的兴趣。这无疑是一批医生主要参与阐述热力学基本概念的原因之一。

气体定律

气体定律的发现是对热力学基础的又一贡献。伽利略在其晚年试图解释佛罗棱萨一位水泵大师所告诉他的一个事实：在其吸管长于10米的抽水泵里，水不再受活塞的控制。这一事实与在古代就很有代表性的“大自然中没有真空”的观点相矛盾。怪事！

笛卡尔（1596 ~ 1650）1631年和1638年就把这一现象解释为气压的结果。1643年，伽利略的学生和继承人托里拆利（1608 ~ 1647）在注入水银的玻璃管内再现了这一现象。他确切地解释了液柱长度的升降。1644年他就已提议研制气压测量仪器。帕斯卡尔（1623 ~ 1662）得知这些实验结果后，就让人——可能受笛卡尔的鼓动——测量Puy-de大教堂底部和顶端的气压高度。由此而证实，上述所观察到的现象是由气压引起的。

马德堡市长奥托 · 冯 · 古里可（1602 ~ 1686）开始研究真空存在的可能性。为此，他进行了一系列的实验。他设计了一个真空泵，在空气稀疏的房间里考察火、光、声以及动物的行为，识别出空气的弹性，发明了流体压力计和水压表。1660年他借助于其发明物预报了一次暴风雨。关于陶里茨里的气压计的消息，他于1654年在累根斯堡的帝国国会上才得以知道。在这里，他用著名的马德堡半球显示了气压的力量。

罗伯特 · 波义耳（1627 ~ 1691）了解到古里可的成果后，即从事类似的试验。他和罗伯特 · 胡克（1635 ~ 1703）合作将这类试验继续进行下去，并使其圆满结束。他的研究成果使pV=const这一定律得以发现。这里p为压力，V为一定量气体的体积。

这一相互关系是R. 陶夫里1661年在波义耳试验的基础上首先作为假设提出来的。波义耳通过试验对其进行了各方面的检测。而埃特罗 · 马里特（1620 ~ 1684）在没有给布勒和陶夫里的成果添加任何新东西的情况下，就于1679年将其称为定律。随后，人们都努力探讨波义耳——马里特定律的适用极限。1688年，雅各布 · 贝努利（1655 ~ 1705）指出，——从原子论的概念出发——气体密度必定有一个最高界限，超出这个界限该定律就不适用了。阿芒同斯第一个说明，不存在最低适用界限。该定律仅在恒温下才能成立。1738年，戴尔尼 · 贝努利作乌出该定律的分子运动解释。

随后，阿芒同斯又提出了在体积不变的情况下以压力去影响温度变化的设想。这样他就在实践中推广了气温计和与此相应的绝对温标。

广量和强量   热量平衡定律

由于对温度计的设计出各式各样——18世纪后期实际使用的有19种不同温标的温度计——，于是就出现了选择哪一种温度解说方式和是否存在“真正的”温标这一问题。盖 · 吕萨克（1778 ~ 1850），拉普拉克（1749 ~ 1827），拉瓦锡（1743 ~ 1794）和勒奥姆（1683 ~ P757）确信有“真正”的温标。

哲学家黑格尔1813年第一次正确地回答了上述的问题：他区别广量和强量，把温度描述为一个仅仅受任何一种的严格为温度所制约的广量影响的强量。可直接测量的广量同温度之间的细微关系原则上可以随意解释，而今天人的测量温度使用的是绝对温标。

只有当温度计同被测物体（经过一定时间的接触）具有相同的温度时，它才能正确反映该物体的温度。温度的发展建立在各相互接触物体之间的热量平衡中断的基础上。由于不重视这一前提，弗朗西斯 · 培根（W20年）和洛克（1690年）便认为，人们的温度感觉在相当大的程度上具有主观特征——这一判断仅在一定的条件下是正确的，但直至今天还流行着这一说法。威廉，汤姆锡（1824 ~ 1907）证明，站至一只未经训练的手也可分辨1/4绝对温标的温差。

苏格兰医生，格拉斯哥和爱丁堡大学教授尤瑟夫 · 布拉克第一个明确地阐述了今天被看作热力学基础公理的热量平衡定律。继而，他又严格把温度和热量加以区别，创立了热容量概念，发现了被雅麦斯 · 瓦特使用于其蒸汽机凝缩器的溶化热和汽化热。布拉克与瓦特交往甚密，实际上他是瓦特的科学顾问。

热力学第一公理

潜热的发现使量热器的改进成为可能。1782 ~ 1784年，拉瓦锡和拉普拉克用量热器测量化学反应的热效应。据此得出，生物温度的提高靠的是有机体内养分的氧化作用。动脉血和静脉血的不同色彩与此有关。以此驳斥了生理学家阿尔布勒希特 · 哈勒在其1747年出版的生理教科书中所代表的观点：血液由于血管的交替伸缩在肺里通过摩擦而生温。医生罗伯特 · 迈耶（1814 ~ 1878）认真研究了这一问题，1842年，他认识到功和热的当羞，发现了能量守恒定律——热力学第一公理。

在没受迈耶影响的情况下，工程师高尔定1843年（从技术问题的角度出发），尤勒1843年（以实验结果为依据），亥姆豪茨1847年（当时为波茨坦的军医）也得出了同样的结论。开始，著名的物理学家只是很有保留地把这些知识接受过来。这有一个相当普遍的原因：人们对新观念、新思想起初往往抱怀疑态度。只有当绝对必要的时候，这就是说，只有当实验结果用现有理论解释不了的时候或者现有理论内部出现矛盾的时候，它们才会为理论所接受。

历史证明，把不生不灭的物质作为热现象的载体这种假设对大多数热理论实验给予了很好的说明。第二种可能的假设——把热作为方向不一的粒子运动——尽管有许多著名的支持者，如波义耳、马里特、洛克、胡克、戴尼尔、约翰 · 贝努利和罗曼诺孛夫，但一般说来，它不是直观的，不适用的。所以热质理论暂时得到广泛应用，开始并没有为鲁姆冯特的观测和实验所推翻。

工程师和政治家鲁姆冯特伯爵（1753 ~ 1814）业余从事——从实际问题出发——科学研究。“进行热理论的实验一向是我的嗜好”。他1806年写道。3.778年，鲁姆冯特通过他在慕尼黑兵工厂的实验发现，炮筒的加热程度在正常带弹发射的情况下比在无弹发射的情况下低。1798年他做力能转变为热能的实验。这些实验终于促使他取消热质理论。

根据这一理论，人们可以用热容依赖于体积来解释鲁姆冯特的观测结果和类似的现象，如气动点火器。这一观点的代表者盖 · 鲁撒克，1807年，他自己用试验证明这是错误的。到罗伯特 · 迈耶才对盖 · 鲁撒克的试验给以正确的解释，从理论上推导出热功当量。为此他利用了截至1823年所取得的实验和理论成果（德拉劳赫，拜拉特1813年，拉普拉克1816年，德苏迈斯，克来门特1819年，帕松1823年）——当然没有热质假定（该假定在初期研究中曾起过作用）。

提出一般能量守恒定律的另一前提是在保持宇宙中的机械运动这一思想的影响下力学的飞速发展。这一思想首先由笛卡尔明确阐述。由莱布尼茨（1646 ~ 1716）发起的对机械运动度量单位（这个问题1880年左右首先为弗里德里希 · 恩格斯解决）的讨论，功以及潜能和动能概念的定义，还有对施泰文，伽利略，托里拆利和胡根斯提出的机械系统不可能永久运动的理解——这些都为继续认识热力学第一公理打下了基础。

沙地 · 卡诺   热力学第二公理

资本主义的发展迫切需要新的动力去推动机器的运转。特别是矿山和机器制造业的需要加速了蒸汽机的发展。另外，当时的工业先进国家的煤储量对此也起了刺激作用。科学知识的交替作用，手工的熟练和经济兴趣促成了蒸汽机的发明和完善。从瓦特的成果中可以令人信服地看到这一点。

热力学作为一门科学学科主要是通过分析已有的蒸汽机而形成的。进行这种分析的首先是法国的军事工程师沙地 · 卡诺（1796 ~ 1832）。1824年，他自费出版了他的作品《对火动力的观测和适于发展该动力的机器》，该书仅出很少几本。

卡诺观察了蒸汽机在矿山，造船厂，木材加工厂，磨坊、纺织厂中的应用。他特别强调，蒸汽机的使用可以广泛地摆脱地理条件的限制。

卡诺对下列问题特别感兴趣：

热能是有限的还是无穷的？改进的界限在哪里？什么样的材料最适宜作功能介质？

卡诺出色地完成了他的计划。他认真分析蒸汽机的工作程序，马上注意到，这种程序在一定的条件下可以逆转。他把不存在永动机的原理应用到热程序中。他提出一个公理，该公理作为卡诺原理闻名于世。它使阐述热力学第二公理成为可能，卡诺作为工程师对水力涡轮机非常熟悉，正是在对水力涡轮机类似的研究成果的引导下他才认识了这一定律。他写道：人们可以“拿热动力同落水的动力相比较……两者之间存在着不能超越的最大限度……落水的动力取决于水的高度和数量，热动力同样也取决于所使用的热质的数量和其内部发生置换的物体的温差。”

卡诺的理论——作为不存在永动机的论点以及卡诺定律的组成部分——第一次阐述了可以广泛（包括在哲学方面）推论的热力学。

卡诺的主要目的不是要创立热理论，而是要在实践中科学地分析蒸汽机，为此，他首先从当时的科学知识状况出发，绝不忽视热质假定的某些缺点：“此外，附带地说，有必要对热质理论的基础进行更加认真地研究。一些为经验所证实的事实好像用现有理论解释不通。”

在分析了这些矛盾之后，1830年，他背弃了热质理论，萌生了功、热当量的概念，作了第一批热功当量计算。他计划作一些实验，以确定这种当量。由于他1832年早亡，这些计划未能完成。到1872年，他的弟弟才发表了他的与此有关的日记。

尽管卡诺对蒸汽机的发展起了重要作用，但他的成果起初并没有引起人们的重视。这特别是因为法国的煤储量不大，人们宁愿用水力去推动工业的发展。法国的工程师们深入研究和实践，目的是设计出一台理想的水力涡轮机。

卡诺的天才和不幸在于，他把一个理想的换能器理论应用于热力发动机——一个在法国当时的实践中引不起人们兴趣的题目。另外，由于他父亲是一名革命活动家，受到波旁王朝的迫害，他的观点的传播无疑也因此（至少是间接地）受到阻碍。

致力于发展法国铁路业的工程师克拉佩龙（1799—1864）1834年以数学的形式继承和传播了卡诺的思想。克拉佩龙的论文“论热动力”1843年在鲍根道夫年鉴上的发表，使著名的科学家——像克劳胥斯（1822 ~ 1888）和威廉 · 陶姆松（1824 ~ 1907）了解到卡诺的思想。1850年，克劳胥斯在他的论文“论热动力和由此导出的热力学定律”中成功地把卡诺的思想同迈耶、尤勒和亥姆豪茨的思想统一起来，以此奠定了古典热力学的基础。

（Wissenschaft und Fortschritt，1983年1期）