实际上比沃利斯更早，荷兰的业余科学家惠更斯在1652年就开始研究弹性碰撞了，他同样是从笛卡尔著作中引发这方面的兴趣。1656年惠更斯写出了论文《论碰撞作用下物体的运动》，但是没有发表，直至1703年他去世后才被人整理发表。惠更斯也参加了1668年英国皇家学会的征文活动，他在论文里提出了三个假设：
第一个假设是惯性原理：任何运动物体只要不遇障碍，将沿直线以同一速度运动下去。
第二个假设是：两个相同的物体做对心碰撞时，如碰撞前各自具有大小相等方向相反的速度，则将以同样的速度反射弹回。
第三个假设是肯定了运动的相对性。
在这三个假设的基础上，惠更斯推导出许多结论。
这时候惠更斯对物体的质量也没有形成明确的概念（对质量进行定义是牛顿在《自然哲学的数学原理》中第一个解决的问题，质量是牛顿力学的最重要的基础概念之一）。惠更斯采用“大的程度”来表示惯性的大小，这实际上就是后来的“质量”。物体的“大的程度”和速度的乘积就是动量。惠更斯证明总动量在碰撞过程中并不总是守恒的，“大的程度”与速度平方的乘积保持守恒，这为后来的能量守恒定律的提出打下了基础。惠更斯有大量的工作未能及时发表，否则他还能获得更高的声望。

在碰撞实验中如何直接测量物体的瞬时速度，这在17世纪是个难题。1673年，法国物理学家和植物生理学家马略特（Mariotte）找到了用单摆进行碰撞实验从而间接地测量瞬时速度的巧妙方法。他用线把两个物体吊在同一水平高度，把它们当作摆锤，摆锤在最低点的速度与摆锤能够升起的高度或在静止点下落的高度有关，这样，根据摆锤的高度落差就可以测出碰撞前后的瞬时速度。这个实验牛顿后来也做过，《自然哲学的数学原理》中有他的实验记录。牛顿通过对碰撞现象的研究，得出了这样一个重要结论：“每一个作用总是有一个相等的反作用和它对抗；或者说，两物体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向其对方。”这就是著名的牛顿第三定律。

在牛顿的《自然哲学的数学原理》中，动量守恒定律是作为三大定律的推论进行表述的。
系统的动量体现的是系统整体的运动状态，系统整体的运动状态在不受外部作用力影响的情况下保持数量上的同一性。物质系统在不受外力的影响下，系统内部物体无论怎样碰撞，系统的总动量，即各物体的动量的总和（矢量和）保持不变，即m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。
动量守恒跟惯性原理是完全一致的，惯性原理只是针对单一物体，动量守恒不仅适用于单一物体，还涉及到多个物体间的动量转移。动量守恒定律可以看作是惯性原理由“一”向“多”的一个扩展。而牛顿第二定律可以看作是惯性定律由所受外力从0到有的扩展。反过来，惯性定律可以看作是动量守恒定律在单一物体情况下的特例，也可以看作是牛顿第二定律在外力为0的情况下的特例。

2. 角动量守恒定律与开普勒第二定律

角动量又称动量矩，是描述物体转动状态的量，它是物体到原点的位移（矢量半径）与其动量的叉积： 。L为角动量，r为矢量半径，P为动量，m为质量，v为速度。
角动量守恒定律指的是，在不受外力矩作用时，体系的总角动量不变。

动量守恒与角动量守恒之间的关系相当于静力守恒与力矩守恒（杠杆原理）之间的关系。在杠杆原理中，力矩是力与力臂的乘积；在角动量守恒定律中，角动量中的矢量半径r可以看作是动量臂，角动量（动量矩）是动量与动量臂的乘积。
角动量守恒定律是继动量守恒定律之后得到的一个重要的守恒定律，是物理学的普遍定律之一，是反映质点和质点系围绕一点或一轴运转的普遍定律。

角动量守恒定律最早的表述是我们熟悉的开普勒第二定律（面积定律），即“从太阳到行星所连接的直线在相等的时间内扫过同等的面积。”
德国天文学家开普勒（Johannes Kepler，公元1571-1630年）在根据丹麦天文学家第谷•布拉赫（Tycho Brahe）留下的观测资料研究火星的运行时发现，火星的运行速度是有变化的，当它离太阳较近时速度较快，当它离太阳较远时速度较慢，也就是轨道半径小时线速度大，轨道半径大时线速度小。于是开普勒根据第谷的观测数据进一步计算，发现火星在任何一个位置上的线速度与轨道半径的乘积是不变的。这个乘积除以2就是火星运行的面速度，即单位时间内绕转半径扫过的面积。也就是说，火星运行时的面速度是不变的，这就是“面积定律”。
1609年，开普勒发表了《以对火星运动的评论表达的新天文学或天体物理学》（也被称作《论火星的运动》），其中就有开普勒第一定律和第二定律。根据开普勒第二定律可以直接推导出角动量守恒定律：面速度等于线速度乘以绕转半径再除以2，面速度不变就意味着行星在绕太阳运行过程中r×v×m 是不变的，即角动量守恒。

开普勒第二定律在当时来说是一个经验定律，是根据观测数据总结出来的。后来牛顿给出了数学推导。尽管角动量守恒定律可以从牛顿定律中推导出来，但是它的适用范围比牛顿力学的适用范围还要大，无论是在物质的低速运动过程还是高速运动过程，宏观运动过程还是微观运动过程，角动量守恒定律已被大量实验证明是正确的。这一定律在现代的航空航天领域，如惯性导航回转仪、人造卫星、航天器的姿态控制等方面得到了广泛应用。

第8章 质量与能量守恒定律

1. 18世纪的质量守恒定律

物理学和化学中最典型的守恒律就是质量守恒定律，也称“物质不灭定律”。
物质世界的守恒的基础是逻辑守恒律，即数学中所遵守的数量守恒。在模块不分裂、不合并、不消亡、不新生的情况下，模块的数量不发生变化。模块可以是微观的物质粒子，也可以是宏观物体；可以是物质单位，可以是信息单位，也可以是事件单位。相比于严格条件下的守恒律，质量守恒律是强守恒律，因为它在各层次的物质模块发生分裂、合并的情况下仍然能够保持守恒。
从德谟克利特的原子论可以推出物质的质料在数量上是守恒的，18世纪物质不灭定律的发现坚定了科学界对原子论的信念：物质的质量守恒一定是源于物质有一个不会分裂的、质量不变的最小质量单位。这个质量单位就是“原子”。“原子”有固定的质量，它不会消失也不会从无中产生，化学反应无非是原子的重新组合。
原子论可以很好地解释质量守恒定律。在此基础上，19世纪初英国化学家道尔顿经过大量的研究，提出了科学的、定量化的原子理论。这一理论不仅把化学向前推进了一大步，而且为近代物理学向现代物理学的进化，或者说为后来的物理学革命，透射出一缕亮光。100年后，卢瑟福通过α粒子轰击金箔的散射实验发现了道尔顿原子的结构，由此开启了量子力学和粒子物理学的新纪元。

对于质量守恒的思想，我们还是要从17世纪谈起。
17世纪的东方，在伽利略和波义耳之间这一时期，中国明朝有一位令人尊敬的知州大人叫宋应星（公元1587-1666年），其活动年代与伽、波二位前后均有重叠，他在遭受着战乱破坏的大明帝国灭亡前夕仍为一方百姓的生存和生活而苦苦支撑，并捐资建设书院。我们都知道，让宋应星千古留名的功绩是他写出了中国明代工艺技术的百科全书《天工开物》。这里要说的不是《天工开物》，而是他在另一篇著作《论气》中对物质变化中量的关系所做的探讨。宋应星举了树木生长、燃烧、腐烂的例子指出，从一粒种子长成“蔽牛干霄之木”，砍下来的木头烧为灰烬的重量不到木头重量的七十分之一，体积不到木头的五十分之一，这些量的增减都只是气和形相互变化的结果。他的这些论述就表达了物质不生不灭的思想。
在西方，17世纪英国产生了以波义耳为代表的化学学派。波义耳通过一系列实验，对“火、水、气、土”这些传统的元素观产生了怀疑。他指出：这些传统的元素，实际未必就是真正的元素，只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。波义耳认为，作为万物之源的元素一定会有许多种。波义耳的元素概念实质上与单质的概念差不多。

到了17世纪末，德国的医疗化学学派提出了燃素学说。这种学说并不正确，但是我们还是需要了解一下，因为它跟18世纪的物质不灭思想有前后关联。燃素说认为，（1）可燃的要素是一种气态的物质，存在于一切可燃物质中，这种要素就是燃素（phlogiston）；（2）燃素在燃烧过程中从可燃物中飞散出来，与空气结合，从而发光发热，这就是火；（3）油脂、蜡、木炭等都是极富燃素的物质，所以它们燃烧起来非常猛烈，而石头、木灰、黄金等都不含燃素，所以不能燃烧。物质发生化学变化，也可以归结为物质释放燃素或吸收燃素的过程。
18世纪的英国有三位化学家为近代化学的做出了突出贡献。一位是格拉斯哥大学医学教授兼化学讲师约瑟夫·布莱克（Joseph Black），他先后在格拉斯哥大学和爱丁堡大学学习并获得博士学位，又先后在格拉斯哥大学和爱丁堡大学任教。布莱克在化学上的主要贡献是首先用天平来研究化学变化，创立了定量化学分析方法，并用这个方法发现煅烧石灰石时并未因吸收燃素而增重，却因放出“固定气体”而失重。他还多方面地研究这种气体的性质，特别是其无助燃性和能为苛性碱所吸收而降低其腐蚀作用，从而动摇了当时流行的燃素说，开创了气体化学的新时代。他发现的所谓“固定气体”就是我们今天熟知的二氧化碳。
布莱克这个人自信又和蔼可亲，对别人特别好，有时都好得有些夸张。他曾经把自己的全部资金投入了一家金融商号，后来他发现了这家商号会出问题，但是为了不让对方难堪，就克制自己不去提取现金，等到一年后这家商号破产，他只拿回了本金的四分之一。布莱克是当时苏格兰首屈一指的科学家，但是他与人无争，他做过无数的实验，也跟别人进行探讨，却从不发表自己的成果。他不争第一，不想出名，只是想“知道”。值得一提的是，布莱克曾对瓦特发明新式蒸汽机在理论上给予了很多的指导和帮助，所以第一次工业革命其实有他很大的功劳。


约瑟夫·布莱克

另外两位是亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）和约瑟夫·普利斯特列（Joseph Priestley）。卡文迪许出身于贵族家庭，他在还原反应中制取了氢气，并且发现了水是由氢和氧组成的。对于卡文迪许，本书后面还会做更多的介绍。普利斯特列比亨利·卡文迪许小两岁，他们两人都不是职业科学家。与卡文迪许不同的是，普利斯特列出身于普通农民家庭，他还有个正式的职业──牧师。他一生主要靠自学和业余钻研而成为一位化学大师。普利斯特列写过《电学史》、《论各种不同的气体》等科学著作，也写过神学和政治学著作。


约瑟夫·普利斯特列

普利斯特列在1772年发现，封闭的空气容器中的金属在锻烧后至多吸收被封闭空气体积的五分之一，几乎同一时期法国化学家拉瓦锡（Lavoisier，公元1743-1794年）也发现了这一现象。拉瓦锡认为这一部分气体在性质上不同于未被吸收的那一部分空气。普利斯特列在1774年访问巴黎，告诉拉瓦锡他发现了一种他称之为“脱燃素”的空气，它是将氧化汞加热后得到的。这种气体现在叫做氧气，它就是拉瓦锡一直在寻找的那个大气中的活泼成分。但是普利斯特列一辈子都没有放弃燃素说。

最终在理论上实现了近代化学革命的是法国的拉瓦锡。年轻的拉瓦锡不相信燃素学说，在他的脑子里早已埋下了化学革命的种子。1783年，拉瓦锡宣布了他在十年前所计划的化学理论的革命。拉瓦锡的新理论认为，燃烧和锻烧的过程在任何情况下都是可燃物质同氧的化学结合，因为所形成的物质的重量毫无改变地等于原来所用物质的重量。燃烧与氧化过程不能归之于所谓燃素的逸出，因为旧的学说要求燃素应当在某些情况下具有重量，在其他情况下则没有重量，这么诡异的玩意儿是难以让人信服和接受的。


拉瓦锡和他的夫人兼助理

1743年，拉瓦锡出生在法国一个富有的律师家庭。家人想要他成为一名律师，他在巴黎大学法学院毕业后获得律师资格。不过他把课余时间都用在了自然科学上。毕业后从事的是矿产考察工作，25岁时就成为法兰西科学院院士。他使化学从定性研究转向定量的研究，他创立的氧化学说取代了当时的燃素学说。尽管拉瓦锡没有发现过一种化学元素，但是他最早给出了“元素”的定义，他还列出了33种化学元素，不过其中有一些后来被证明是化合物。拉瓦锡留下的杰出论文《化学概要》被认为是现代化学诞生的标志。
拉瓦锡在进行科学研究的同时，还兼任了包税官和皇家财政委员。虽然他并没有参与波旁王朝的横征暴敛，但这些身份还是使他在法国大革命中成为革命的对象。这位历史上最伟大的化学家在1794年不幸被激进的雅各宾党送上了断头台。法国著名数学家拉格朗日痛心地说：“他们可以一眨眼就把他的头砍下来，但他那样的头脑一百年也再长不出一个来了。”

拉瓦锡对化学的第一个贡献便是从实验的角度、利用定量分析方法验证并总结了质量守恒定律。早在拉瓦锡出生之时，多才多艺的俄罗斯科学家罗蒙诺索夫就提出了质量守恒定律，他当时称之为“物质不灭定律”，其中含有更多的哲学意蕴。但由于“物质不灭定律”缺乏丰富的实验根据，特别是当时俄罗斯的科学还很落后，西欧对沙俄的科学成果不重视，“物质不灭定律”没有得到广泛的传播。
1711年，罗蒙诺索夫（Lomonosov）诞生于俄罗斯彼得大帝全面推行西化改革、国家开始从落后走向强大的空前时代。他的家在阿尔汉格尔斯克附近的一个小渔村里，父亲是个富裕的渔民。阿尔汉格尔斯克是当时俄国最大的海港城市（北临北冰洋，在通往大西洋的圣彼得堡港全面建成后，才逐渐衰落），这种环境对他从小的兴趣和志向颇有影响。他从10岁起就协助父亲捕鱼，从小就有强烈的求知欲，但是目不识丁的父亲不能给他以任何帮助。他只能向邻居学习识字。然而为了躲过继母凶狠的责骂和讥笑，他常常要忍饥挨饿，躲到僻静无人的地方去看书。

1730 年，19 岁的罗蒙诺索夫为了争取较好的学习条件，离家到莫斯科求学。当时那里最好的高等学校是斯拉夫-希腊-拉丁学院，但是这个学院不招农民家庭的孩子，罗蒙诺索夫就冒称教会执事的儿子入学了。当院方发现了他的这个谎言时，他的学习成绩已经超过他的同班同学，于是院方对他另眼相看，也就让他留下来了。由于父亲对他不顾家业出外学习十分不满，不负担他的生活费，他只能依靠学校津贴，过着半饥半饱的生活。另外由于他从乡下来，年龄较大，又没学过拉丁文，经常遭到同学的冷嘲热讽。但是罗蒙诺索夫凭借自己的努力和聪明，仅用一年时间就掌握了拉丁文，并自修了希腊文。
1735 年初，罗蒙诺索夫在用了五年时间修完了八年的课程，并取得优异成绩后，被选派到新成立的彼得堡国家科学院大学深造，这使他能够得到外籍院士们的指导。半年后，又被派往德国学习。1736年秋天先入马尔堡大学学习物理学和化学等，后到弗赖堡学习矿业和冶金学。五年后，罗蒙诺索夫回到了彼得堡的俄国科学院。这时的他精通了德语、法语，更重要的是他开扩了眼界，跟上了欧洲科学发展的步伐。1745年他成为俄国科学院的第一位俄籍院士。之前的16位院士全是从其他欧洲国家聘请的外籍院士，包括哥德巴赫、丹尼尔·伯努利、欧拉等。

自从彼得大帝引进西欧一流科学家对俄国贵族子弟进行教育，在几十年里都没有培养出能够取代他们的外国老师的科学家，直到偏远地区的农家子弟罗蒙诺索夫出现。因为那时的贵族青年不太愿意潜心钻研科学，他们更重视国家急需的实用技能，特别是军事技能，更热衷于学习能够显示他们贵族修养的人文学科，他们关心的是政治而不是自然界的奥秘。俄国18和19世纪的三位最杰出的科学家罗蒙诺索夫、罗巴切夫斯基、门捷列夫都来自偏远地区的底层家庭，而不是圣彼得堡和莫斯科的能够享受教育特权的贵族家庭，他们的求学生涯都经历了艰辛波折和偶然的机遇。所以俄国跟古希腊和西欧的情况大不一样，甚至有些相反。
作为俄国的第一位伟大科学家，罗蒙诺索夫有一个严重的局限性，由于他排斥超距作用，致使他始终没有接受牛顿的万有引力理论，这大概是18、19世纪俄国的数学、化学、地质学、生物学都比较强，而物理学和天文学偏弱的一个重要原因。
罗蒙诺索夫和苏格兰哲学家休谟、中国的乾隆皇帝同岁，跟法国思想家卢梭、狄德罗年龄相仿。在大清帝国的所谓“乾隆盛世”期间，法国和苏格兰兴起了波澜壮阔的启蒙运动；俄罗斯则全面引进西欧的科学、文化、技术，全力展开基础设施建设，大力发展工业生产，大肆进行军事扩张；之后德国也掀起了轰轰烈烈的狂飙突进运动，美利坚十三州发起独立战争并建成世界上第一个现代联邦民主制国家，而中国在庞大帝国的虚幻优越感和皇恩浩荡的伪幸福中没有丝毫的进步，尽管早在一百多年前徐光启、利玛窦们就开始引进了西方的先进科学。

我们再回到拉瓦锡。拉瓦锡强调化学进行定量研究的重要性，并相应地引入了物质不灭定律，也就是质量守恒定律。这一定律说的是在化学反应的过程中，物质既不消失也不会无中生有，或者说既不减少也不增加，化学反应所生成的“新”物质质量跟反应前的原料的质量是相等的。
任何定量的研究必然在其背后有某个守恒律作为支撑。数学的背后有数量守恒律为其支撑，运用数学工具进行定量研究的任何自然学科也必然是以某种量的守恒律作为支撑的：化学中有质量守恒，静力学中有质点受力守恒和力矩守恒，动力学中有动量守恒，动力学和热力学中有能量守恒，核物理学中的质能守恒，等等。如果没有某种量的守恒律存在于其中的话，那么所谓的“定量”就是不可确定、无法实现的了。
拉瓦锡还恢复了前人的一个重要见解，即化学元素是不能用化学方法分解为更简单的东西的那种物质，这就是原子论的观点。他说元素是“化学分析所达到的真正终点”，并把自己知道的33种可信的元素列成一张表。

原子论和建立在同一律之上的守恒律是化学的基石，正是由于拉瓦锡认识到这两大基石，才使他成为现代化学的建立者。
拉瓦锡的新观点导致人们在化学上得出几条经验定律。第一条是德国化学家杰里米亚·里希特（公元1762-1807年）在1797年提出的当量定律。当量定律是指，当元素化合时彼此间总有一个相当的量，各元素即按这个相当的量彼此化合或转换。第二条是法国的一位药剂师约瑟夫·路易·普鲁斯特（公元1754-1826年）在1799年通过实验提出的定比定律。普鲁斯特还在西班牙的马德里大学做过化学教授。普鲁斯特发现，不管一种化合物是怎样形成的，它所含的各种元素的重量比总是一定的，其比例就是元素的当量。定比定律也称为定组成定律。当量定律和定比定律又导致道尔顿提出了定量化的现代原子论。

2. 19世纪的能量守恒定律

能量守恒与转化的思想最早可以追溯到亚里士多德，他说：“潜能的事物（作为潜能者）的实现即是运动。”（《物理学》第69页，商务印书馆，1982年）这里面显然有“势能释放而转化为动能”的思想，但是这时还没有“能量”的概念。
13世纪，也就是中世纪末期，欧洲数学家尼莫尔的约达努斯（Jordanus de Nemore）提出过一条“约达努斯公理”：能将荷载L提升高度h的东西也能将这一荷载的n倍提升这一高度的n分之一。这个“东西”到底是什么，当时还不清楚。我们学了近代的经典力学就明白了，这个“东西”就是对载荷做的功，或者施加的能量。这条公理的提出说明约达努斯已经有了数量化的能量概念，只是没有给它取名。13世纪有个以约达努斯为首的“约达努斯学派”。
到了近代力学发展的初期，能量守恒思想的萌芽已经随处可见：伽利略所研究的斜面运动、摆的运动，荷兰科学家斯台文（公元1548-1620年）研究的杠杆原理以及惠更斯研究的弹性碰撞都涉及能量守恒问题。17世纪后期，著名的德国哲学家、数学家莱布尼兹引进了“活力（Visviva）”概念，明确提出活力守恒原理，他认为用mv2度量的活力在力学过程中是守恒的，宇宙中“活力”的总和是守恒的。

18世纪，瑞士数学家和物理学家丹尼尔•伯努利在1738年发表的流体力学方程实际上就是流体运动中的机械能守恒定律。
在力学中能量守恒定律逐步形成的同时，能量守恒的思想在化学、生物学领域，在热学领域以及电磁学领域也一步步地发展起来。
法国的拉瓦锡和拉普拉斯（Laplace）发现，豚鼠吃过食物后发出的动物热与等量的食物直接进行燃烧的化学过程所发出的热量接近相等。德国著名化学家李比希男爵（Liebig）的学生莫尔（F.Mohr）经过研究进一步提出：“力在适当的条件下可以表现为运动、化学亲和力、凝聚、电、光、热和磁，从这些运动形式中的每一种可以得出一切其余形式。”这是第一次有人提出运动的不同形式的统一性和相互转化的可能性。
伦福德伯爵（Rumford，即本杰明•汤普森，Benjamin Thompson生于美国，又先后移民英国、德国、法国，巴伐利亚选帝候曾授予他伯爵称号）在18世纪末做了一系列摩擦生热的实验。之后英国化学家戴维在1799年发表了论文《论热、光及光的复合》，介绍了他所做的冰块摩擦实验。这个实验为热功给出了说服力。在戴维之后，他的学生和助手法拉第特别强调各种“自然力”的统一和转化，他在电磁感应、电化学和光的磁效应方面做了大量的研究，并取得丰硕成果，这些工作都涉及“自然力”的统一和转化。可以说，法拉第的许多重大发现都是在“自然力”的统一和转化的观念的支配下做出的。

法国工程师萨迪•卡诺（Sadi Carnot，公元1796-1832年）起初是在“热素说”的前提下研究热机问题的。就像燃素说把“燃素”看成燃烧物中所含的一种特殊物质一样，热素说把热看成一种不可称量的物质，即所谓“热素”。卡诺假定热机在做功过程中热量是保持不变的，他把蒸汽机跟水轮机进行类比，认为“热素”从高温热源流出推动活塞，正如水从高水位流下推动水轮机一样。1824年他发表了《关于火的动力》一书，提出了“卡诺热机”和“卡诺循环”的概念。后来卡诺受法国物理学家菲涅耳“光和热是一组相似的现象，因为光是物质粒子振动的结果，所以热也应当是物质粒子振动的结果”这一设想的影响，并且他自己也发现热在机器运作过程中转变为了机械能，就是说热量不守恒，因此他放弃了热素说。
1830年，卡诺确立了热功相当的思想，他在笔记中写道：“热不是什么别的东西，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。”这段话不仅指出了热的本质，还特别提出了热功相当的观点。卡诺进一步指出：“因此人们可以得出一个普遍命题：在自然界存在的动力，在量上是不变的。准确地说，它既不会创生也不会消灭；实际上，它只改变了它的形式。”卡诺不仅在这里提出了能量守恒的思想，而且还通过实验给出了热功当量的数值：370千克米的功相当于1千卡的热量。遗憾的是，卡诺在1832年因感染霍乱而过早地去世，年仅36岁。按照当时防疫条例，霍乱病人的遗物应一律付之一炬。卡诺生前所写的大量手稿被烧毁，幸好他弟弟将他的小部分手稿保留了下来。他弟弟看到遗稿后却不明白卡诺所提出的原理的意义，直到1878年他的遗稿才得以发表。

1836年，俄国的赫斯（G.H.Hess）在他向彼得堡科学院提交的报告中说：“经过连续的研究，我确信，不管用什么方式完成化合，由此发出的热总是恒定的，这个原理是如此之明显，以至于如果我不认为已经被证明，也可以不假思索就认为它是一条公理。”之后，赫斯对于这一原理从多方面进行了实验验证。1840年3月27日他在科学院的演讲中给出了一个更普遍的表述：“当组成任何一种化学化合物时，往往会同时放出热量，这热量不取决于化合是直接进行还是经过几道反应间接进行。”也就是，热和功的守恒问题跟过程途径无关。到此，能量的转化与守恒定律初步形成。