19世紀自然科學的三大發現

19世紀自然科學的三大發現
1 細胞學說
【簡介】細胞學說是1838～1839年間由德國的植物學家施萊登（Schleiden）和動物學家施旺（Schwann）所提出,直到1858年才較完善。它是關於生物有機體組成的學說，主要內容有：
① 細胞是有機體， 一切動植物都是由單細胞發育而來， 即生物是由細胞和細胞的產物所組成；
② 所有細胞在結構和組成上基本相似；
③ 新細胞是由已存在的細胞分裂而來；
④ 生物的疾病是因為其細胞機能失常。
⑤.細胞是生物體結構和功能的基本單位。
⑥.生物體是通過細胞的活動來反映其功能的。
細胞學說的生物體意義是：
【歷史】
在18世紀的德國 ，自然哲學非常盛行。這個體系的內容之一是描述他們認為是組成有機世界多樣性的典型單位。歌德認為葉子是各種不同植物的典型單位結構，而奧肯則主張脊椎節是一般動物原型結構的基本單位。奧肯還進一步認為有機體由粘液囊泡或活的單位所組成，並在它們暫時所屬的有機體死亡後繼續生存著，形成另一個生物的一部分。在19世紀早期，這樣一種觀點相當流行，並且同對動植物結構的顯微鏡觀察結合在一起，導致了細胞學說的發展。
在17世紀初胡克、馬爾比基和列文胡克，都曾用顯微鏡看到了植物細胞，但是並沒有被認為是植物世界的獨立的、活的結構單位。
在19世紀初期，植物解剖的研究復活了，德國植物學家特雷維拉努斯和馮·莫爾認識到細胞是植物的結構單位。19世紀20年代， 義大利的亞米齊和其他人製成了改進的消色差顯微鏡，使人們得以觀察到有機細胞的詳細情況。一個倫敦醫生羅伯特·布朗於1831年觀察到植物細胞一般具有一個核，不過他對自己的發現並不怎樣重視。 捷克人普金葉在1835年用顯微鏡觀察了一個母雞卵中的胚核，並指出動物的組織在胚胎中是由緊密裹在一起的細胞質塊所組成，這些細胞質塊與植物的組織很類似。
這些觀察導致耶拿大學的植物學教授馬提阿斯·施萊登於1838年宣布，細胞是一切植物結構的基本活動單位和一切植物藉以發展的根本實體的學說。盧萬大學的解剖學教授泰奧多爾·施旺於1839年把細胞說擴大到動物界。
19世紀40年代許多研究者糾正了他們其中的一些錯誤觀點，特別是植物學家馮·莫爾，耐格里和霍夫邁斯特以及動物學家克里克爾、萊迪希和雷馬克，他們證明新細胞是靠分裂形成的， 細胞核先在母細胞內分裂為二，然後是母細胞分裂為兩個子細胞。
【意義】
細胞學說論證了整個生物界在結構上的統一性，以及在進化上的共同起源。這一學說的建立推動了生物學的發展，並為辯證唯物論提供了重要的自然科學依據。恩格斯曾把細胞學說譽為19世紀最重大的發現之一。
施萊登和施旺的細胞學說為19世紀細胞的研究指出了方向。然而，他們雖然正確地指出新的細胞可以由老的細胞產生，卻提出了一個錯誤的概念即新細胞在老細胞的核中產生，由非細胞物質產生新細胞，並通過老細胞崩解而完成。由於這兩位科學家的權威，使得這種錯誤觀點統治了許多年。
許多研究者的觀察表明，細胞的產生只能通過由原先存在的細胞經過分裂的方式來完成，1858年德國病理學魏爾肖概括為“一切細胞來自細胞”的著名論斷，這不僅在更深的層次上揭示細胞作為生命活動的基本單位的本質，而且通常被認為是對細胞學說的重要補充，甚至有人認為直至於此細胞學說才全部完成。
儘管細胞學說的某些部分已成為歷史的陳跡，然而其中心思想仍廣泛而深刻地影響了後來生物學的發展，任何生物學的重要問題都必須從細胞中尋求最後的解答。
【主要貢獻人】
在十九世紀以前許多學者的工作都著眼於細胞的顯微結構方面，從事形態上的描述，而對各種有機體中出現細胞的意義一直沒有作出理論的概括，直到19世紀30年代德國人施萊登Matthias Jacob Schleiden 、施旺Theodar Schwann提出：一切植物、動物都是由細胞組成的，細胞是一切動植物的基本單位。這一學說即“細胞學說（Cell Theory)”，在19世紀已有不少科學家的工作對細胞學說的創立做出了很大的貢獻，如：
1. Jean-Baptiste de Lamark （1744~1829)，獲得性遺傳理論的創始人，法國退伍陸軍中尉，50歲成為巴黎動物學教授，1909年他認為只有具有細胞的機體，才有生命。“It has been recognized for a long time that the membranes which form the envelopes of the brain，of the nerves，of vessels，of all kinds of glands，of viscera，of muscles and their fibers，and even the skin of the body are in general the productions of cellular tissue。 But no one，so far as I know， has yet perceived that cellular tissue is the general matrix of all organization and that without this tissue no living body would be able to exist，nor could it have been formed。”
2. Charles Brisseau Milbel（1776~1854)，法國植物學家，1802年認為植物的每一部分都有細胞存在，“the plant is wholly formed of a continuous cellular membranous tissue。Plants are made up of cells，all parts of which are in continuity and form one and the same membranous tissue。”。
3. Henri Dutrochet （1776~1847），法國生理學家，1824年進一步描述了細胞的原理，他認為 “All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness，which appear to be united only by simple adhesive forces; thus all tissues， all animal (and plant) organs, are actually only a cellular tissue variously modified。This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed” 。
4. Matthias Jacob Schleiden（1804~1881)，德國植物學教授，1938年發表“植物發生論”(Beiträge zur Phytogenesis)，認為無論怎樣複雜的植物都有形形色色的細胞構成。他認識到了Brown發現細胞核的重要意義，這一點Brown本人並未做到，他試圖重建細胞發育的過程，為此他聰明地選擇了胚胎細胞作為他研究的起點，他還在細胞中發現了核仁。
5. Theodor Schwann（1810~1882)，德國解剖學教授，一開始就研究Schleiden的細胞形成學說，他完全接受了這個學說，並把它擴展為所有生命現象的起源和基礎的一般理論。他把Schleiden在植物中的發現套用到動物中去，並於1838年提出了“細胞學說”（Cell Theory)這個術語；1939年發表了“關於動植物結構和生長一致性的顯微研究”(Mikroskopische Untersuchungen über die Übereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Tiere und Pflanzen)。因此細胞學說的創立被認為歸功於Schleiden和Sehwann兩個人，而且年份也被定到1839年。
Schwann提出：
1) 有機體是由細胞構成的；
2) 細胞是構成有機體的基本單位。
1855 德國人R. Virchow 提出“一切細胞來源於細胞”（Omnis cellula e cellula）的著名論斷，進一步完善了細胞學說。
把細胞作為生命的一般單位，以及作為動植物界生命現象的共同基礎的這種概念立即受到了普遍的接受。恩格斯將細胞學說譽為19世紀的三大發現之一。
2 達爾文進化論
【生物進化論】簡稱進化論，是生物學最基本的理論之一。進化（Evolution），是指生物在變異、遺傳與自然選擇作用下的演變發展，物種淘汰和物種產生過程。地球上原來無生命，大約在30多億年前，在一定的條件下，形成了原始生命，其後，生物不斷的進化，直至今天世界上存在著170多萬個物種。生物進化論最早是由查爾斯·羅伯特·達爾文提出的，在其名著《物種起源》有詳細的論述。
進化論有三大經典證據：比較解剖學、古生物學和胚胎髮育重演律。
生物進化可以分成三個層次：微進化（生物群體中基因頻率的改變）、新種生成和大進化（從一個類型到另一個類型的躍變，比如從魚類進化到兩棲類）。現代綜合學說完美地解釋了微進化和新種生成，並認為由微進化和新種生成的研究所得的結果可以進一步推廣到大進化。但是一些生物學家對這個推論表示懷疑，他們認為生物大進化可能有屬於自己的機理。按照他們的觀點，生物新類型的產生是在生物胚胎髮育過程中基因突變的結果。胚胎髮育時的微小突變可以導致成體的巨大變化。最近發育生物學的研究似乎證明了這一點：如果在胚胎髮育過程中，某種基因的表達速度變慢，就會使魚鰭變成肢足。可以預見，隨著發育生物學的發展，越來越多的大進化難題將被解決。
3. 能量守恆與轉化定律
定律內容　能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為別的形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中其總量不變。能量守恆定律如今被人們普遍認同，但是並沒有嚴格證明。
(1)自然界中不同的能量形式與不同的運動形式相對應：物體運動具有機械能、分子運動具有內能、電荷的運動具有電能、原子核內部的運動具有原子能等等。
(2)不同形式的能量之間可以相互轉化：“摩擦生熱是通過克服摩擦做功將機械能轉化為內能；水壺中的水沸騰時水蒸氣對壺蓋做功將壺蓋頂起，表明內能轉化為機械能；電流通過電熱絲做功可將電能轉化為內能等等”。這些實例說明了不同形式的能量之間可以相互轉化，且是通過做功來完成的這一轉化過程。
(3)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等．某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。
能量守恆的具體表達形式
保守力學系統：在只有保守力做功的情況下，系統能量表現為機械能（動能和位能），能量守恆具體表達為機械能守恆定律。
熱力學系統：能量表達為內能，熱量和功，能量守恆的表達形式是熱力學第一定律。
相對論性力學：在相對論里，質量和能量可以相互轉變。計及質量改變帶來能量變化，能量守恆定律依然成立。歷史上也稱這種情況下的能量守恆定律為質能守恆定律。
總的流進系統的能量必等於總的從系統中流出的能量加上系統內部能量的變化,能量能夠轉換，從一種形態轉變成另一種形態。
系統中儲存能量的增加等於進入系統的能量減去離開系統的能量
[編輯本段]能量守恆定律的重要意義
能量守恆定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。從物理、化學到地質、生物，大到宇宙天體。小到原子核內部，只要有能量轉化，就一定服從能量守恆的規律。從日常生活到科學研究、工程技術，這一規律都發揮著重要的作用。人類對各種能量，如煤、石油等燃料以及水能、風能、核能等的利用，都是通過能量轉化來實現的。能量守恆定律是人們認識自然和利用自然的有力武器。
小醫生與啤酒匠發現科學新理
[編輯本段]——能量守恆和轉化定律的發現
能量守恆和能量轉化定律與細胞學說，進化論合稱19世紀自然科學的三大發現。而其中能量守恆和轉化定律的發現，卻是和一個“瘋子”醫生聯繫起來的。
這個被稱為“瘋子”的醫生名叫邁爾（1814~1878），德國漢堡人，1840年開始在漢堡獨立行醫。他對萬事總要問個為什麼，而且必親自觀察，研究，實驗。1840年2月22日，他作為一名隨船醫生跟著一支船隊來到印度尼西亞。一日，船隊在加爾各達登入，船員因水土不服都生起病來，於是邁爾依老辦法給船員們放血治療。在德國，醫治這種病時只需在病人靜脈血管上扎一針，就會放出一股黑紅的血來，可是在這裡，從靜脈里流出的仍然是鮮紅的血。於是，邁爾開始思考：人的血液所以是紅的是因為裡面含有氧，氧在人體內燃燒產生熱量，維持人的體溫。這裡天氣炎熱，人要維持體溫不需要燃燒那么多氧了，所以靜脈里的血仍然是鮮紅的。那么，人身上的熱量到底是從哪來的？頂多500克的心臟，它的運動根本無法產生如此多的熱，無法光靠它維持人的體溫。那體溫是靠全身血肉維持的了，而這又靠人吃的食物而來，不論吃肉吃菜，都一定是由植物而來，植物是靠太陽的光熱而生長的。太陽的光熱呢？太陽如果是一塊煤，那么它能燒4600年，這當然不可能，那一定是別的原因了，是我們未知的能量了。他大膽地推出，太陽中心約2750萬度（現在我們知道是1500萬度）。邁爾越想越多，最後歸結到一點：能量如何轉化（轉移）？
他一回到漢堡就寫了一篇《論無機界的力》，並用自己的方法測得熱功當量為365千克米/千卡。他將論文投到《物理年鑑》，卻得不到發表，只好發表在一本名不見經傳的醫學雜誌上。他到處演說：“你們看，太陽揮灑著光與熱，地球上的植物吸收了它們，並生出化學物質……”可是即使物理學家們也無法相信他的話，很不尊敬地稱他為“瘋子”，而邁爾的家人也懷疑他瘋了，竟要請醫生來醫治他。他因不被人理解，終於跳樓自殺了。
和邁爾同時期研究能量守恆的還有一個英國人——焦耳（1818~1889），他自幼在道爾頓門下學習化學、數學、物理，他一邊經營父親留下的啤酒廠，一邊搞科學研究。1840年，他發現將通電的金屬絲放入水中，水會發熱，通過精密的測試，他發現：通電導體所產生的熱量與電流強度的平方，導體的電阻和通電時間成正比。這就是焦耳定律。1841年10月，他的論文在《哲學雜誌》上刊出。隨後，他又發現無論化學能，電能所產生的熱都相當於一定功，即460千克米/千卡。1845年，他帶上自己的實驗儀器及報告，參加在劍橋舉行的學術會議。他當場做完實驗，並宣布：自然界的力（能）是不能毀滅的，哪裡消耗了機械力（能），總得到相當的熱。可台下那些赫赫有名的大科學家對這種新理論都搖頭，連法拉第也說：“這不太可能吧。”更有一個叫威廉·湯姆孫（1824~1907）的數學教授，他8歲隨父親去大學聽課，10歲正式考入該大學，乃是一位奇才，而今天聽到一個啤酒匠在這裡亂嚷一些奇怪的理論，就非常不禮貌地當場退出會場。
焦耳不把人們的不理解放在心上，他回家繼續做著實驗，這樣一直做了40年，他把熱功當量精確到了423.9千克米/千卡。1847年，他帶著自己新設計的實驗又來到英國科學協會的會議現場。在他極力懇求下，會議主席才給他很少的時間讓他只做實驗，不做報告。焦耳一邊當眾演示他的新實驗，一邊解釋：“你們看，機械能是可以定量地轉化為熱的，反之一千卡的熱也可以轉化為423.9千克米的功……”突然，台下有人大叫道：“胡說，熱是一種物質，是熱素，他與功毫無關係”這人正是湯姆孫。焦耳冷靜地回答到：“熱不能做功，那蒸汽機的活塞為什麼會動？能量要是不守恆，永動機為什麼總也造不成？”焦耳平淡的幾句話頓時使全場鴉雀無聲。台下的教授們不由得認真思考起來，有的對焦耳的儀器左看右看，有的就開始爭論起來。
湯姆孫碰了釘子後，也開始思考，他自己開始做試驗，找資料，沒想到竟發現了邁爾幾年前發表的那篇文章，其思想與焦耳的完全一致！他帶上自己的試驗成果和邁爾的論文去找焦耳，他抱定負荊請罪的決心，要請焦耳共同探討這個發現。
在啤酒廠里湯姆孫見到了焦耳，看著焦耳的試驗室里各種自製的儀器，他深深為焦耳的堅韌不拔而感動。湯姆孫拿出邁爾的論文，說道：“焦耳先生，看來您是對的，我今天是專程來認錯的。您看，我是看了這篇論文後，才感到您是對的。”焦耳看到論文，臉上頓時喜色全失：“湯姆孫教授，可惜您再也不能和他討論問題了。這樣一個天才因為不被人理解，已經跳樓自殺了，雖然沒摔死，但已經神經錯亂了。”
湯姆孫低下頭，半天無語。一會兒，他抬起頭，說道：“真的對不起，我這才知道我的罪過。過去，我們這些人給了您多大的壓力呀。請您原諒，一個科學家在新觀點面前有時也會表現得很無知的。”一切都變得光明了，兩人並肩而坐，開始研究起實驗來。
1853年，兩人終於共同完成能量守恆和轉化定律的精確表述。
能量的轉化和守恆定律有三種表述：永動機不能造成，能量的轉化和守恆定律及熱力學第一定律。這三種表述在文獻中是這樣敘述的：“熱力學第一定律就是能量守恆定律。”“根據能量守恆定律，……所謂永動機是一定造不成的。反過來，由永動機的造不成也可導出能量守恆定律。”這裡不難看出，三種表述是完全等價的。但筆者認為，這種等價是現代人賦予它們的現代價值，若從歷史發展的角度來考查就會發現，三種表述另有它連續性的一面，但還有差異性的一面。這種差異反映了人類認識定律的不同階段。
1定律的經驗性表述——永動機是不可能造成的（1475～1824）
很早以前，人類就開始利用自然力為自己服務，大約到了十三世紀，開始萌發了製造永動機的願望。到了十五世紀，偉大的藝術家、科學家和工程師達·芬奇（Leonard·do·Vinci 1452～1519），也投入了永動機的研究工作。他曾設計過一台非常巧妙的水動機，但造出來後它並沒永動下去。1475年，達·芬奇認真總結了歷史上的和自己的失敗教訓，得出了一個重要結論：“永動機是不可能造成的。”在工作中他還認識到，機器之所以不能永動下去，應與摩擦有關。於是，他對摩擦進行了深入而有成效的研究。但是，達·芬奇始終沒有，也不可能對摩擦為什麼會阻礙機器運動作出科學解釋，即他不可能意識到摩擦（機械運動）與熱現象之間轉化的本質聯繫。
此後，雖然人們還是致力於永動機的研製，但也有一部分科學工作者相繼得出了“永動機是不可能造成的”結論，並把它作為一條重要原理用於科學研究之中。荷蘭的數學力學家斯台文（SimonStevin 1548～1620），於1586年運用這一原理通過對“斯台文鏈”的分析，率先引出了力的平行四邊形定則。伽俐略在論證慣性定律時也套用過這一原理。
儘管原理的運用已取得了如此顯著的成績，但人們研製永動機的熱情不減。惠更斯（C·Huygens1629～1695）
在他1673年出版的《擺式時鐘》一書中就反映了這種觀點。書中，他把伽俐略關於斜面運動的研究成果運用於曲線運動，從而得出結論：在重力作用下，物體繞水平軸轉動時，其質心不會上升到它下落時的高度之上。因而，他得出用力學方法不可能製成永動機的結論；但他卻認為用磁石大概還是能造出永動機來的。針對這種情況，1775年，巴黎科學院不得不宣布：不再受理關於永動機的發明。
歷史上，運用“永動機是不可能製成”的這一原理在科研上取得最輝煌成就的是法國青年科學家卡諾（sadi Carnot 1796～1832）。1824年，他將該原理與熱質說結合推出了著名的“卡諾定理”。定理為提高熱機效率指明了方向，也為熱力學第二定律的提出奠定了基礎。但這裡要特彆強調的是，卡諾雖然將永動機不能造成的原理運用於熱機，但他的思想方法還是“機械的”。他在論證時將熱從高溫熱源向低溫熱源的流動同水從高處向低處流動類比，認為熱推動熱機作功就像水推動水輪機作功一樣，水和熱在流動中並無任何損失。
可見，從1475年達·芬奇提出“永動機是不可能造成的”起到1824年卡諾推出“卡諾定理”止，原理只能在機械運動和“熱質”流動中運用，它遠不是現代意義上的能量的轉化和守恆定律，它只能是機械運動中的能量守恆的經驗總結，是定律的原始形態。
1891年，亥姆霍茲（H·Helmloltz1821～1894）400)
在回顧他研究力的守恆律的起因時說：“如果永動機是不可能的話，那么在自然條件下的不同的力之間應該存在什麼樣的關係呢？而且，這些關係實際上是否真正存在呢？”可見，“永動機是不能造成的”還很膚淺，要認識它的深刻的內涵，還須人們付出艱苦的勞動。
2定律的初期表述——力的守恆（1824～1850）
“能量的轉比和守恆定律”的提出必須建立在134三個基礎之上：對熱的本質的正確認識；對物質運動的各種形式之間的轉化的發現；相應的科學思想。到十九世紀，這三個條件都具備了。
1798年，倫福特（C· Rumford 1753～1814）向英國皇家學會提交了由炮筒實驗得出的熱的運動說的實驗報告。1800年，戴維（D·H·Davy 1778～1829）
用真空中摩擦冰塊使之溶化的實驗支持了倫福特的報告。1801年，托馬斯·楊（ThomasYoung 1773～1829）在《論光和色的理論》中，稱光和熱有相同的性質，強調了熱是一種運動。從此，熱的運動說開始逐步取代熱質說。
十八世紀與十九世紀之交，各種自然現象之間的相互轉化又相繼發現：在熱向功的轉化和光的化學效應發現之後，1800年發現了紅外線的熱效應。電池剛發明，就發現了電流的熱效應和電解現象。1820年，發現電流的磁效應，1831年發現電磁感應現象。1821年發現熱電現象，1834年發現其逆現象。等等。
世紀之交，把自然看成是“活力”的思想在德國發展成為“自然哲學”。這種哲學把整個宇宙視為某種根源性的力的發現而引起的歷史發展的產物。由這種觀點看來，一切自然力都可以看作是一種東西。當時，這種哲學思想在德國和西歐一些國家占有支配地位。
這時，力的守恆原理的提出就勢在必行了。
歷史上，最早提出熱功轉換的是卡諾。他認為：“熱無非是一種動力，或者索性是轉換形式的運動。熱是一種運動。對物體的小部份來說，假如發生了動力的消滅，那么與此同時，必然產生與消滅的動力量嚴格成正比的熱量。相反地，在熱消滅之處，就一定產生動力。因此可以建立這樣的命題：動力的量在自然界中是不變的，更確切地說，動力的量既不能產生，也不能消滅。”同時他還給出了熱功當量的粗略值。
可惜，卡諾的這一思想是在他死了46年以後的1878年才被人們發現的。而這之前的1842年，德國的邁耳（J·R·Mayer 1814～1878）400)
最先發表了比較全面的《力的守恆》的論文《論無機界的力》。文中他從“自然哲學”出發，以思辯的方式，由“原因等於結果”的因果鏈演釋出二十五種力的轉化形式。1845年，他還用定壓比熱容與定容比熱容之差：Cp-Cv=R，計算出熱功當量值為1卡等於365g·m。
1843年，英國實驗物理學家焦耳（J·P·Joule 1818～1889）400)this.style.width=400;">
在《哲學雜誌》上發表了他測量熱功當量的實驗報告。此後，他還進行了更多更細的工作，測定了更精確的當量值。1850年，他發表的結果是：“要產生一磅水（在真空中稱量，其溫度在55°和60°之間）增加華氏1°的熱量，需要消耗772英磅下落一英尺所表示的機械功。”焦耳的工作，為“力的守恆”原理奠定了堅實的實驗基礎。
德國科學家亥姆霍茲於1847年發表了他的著作《論力的守恆》。文中，他提出了一切自然現象都套用中心力相互作用的質點的運動來解釋
由此證明了活力與張力之和對中心力守恆的結論。進面，他還討論了熱現象、電現象、化學現象與機械力的關係，並指出了把“力的守恆”原理運用到生命機體中去的可能性。由於亥姆霍茲的論述方式很有物理特色，故他的影響要比邁耳和焦耳大。
雖然，到此為止，定律的發現者們還是把能量稱作“力”；而且定律的表述也不夠準確，但實質上他們已發現了能量的轉化和守恆定律了。將兩種表述比較，可以看出：“力的守恆”比“永動機不能造成”要深刻得多。“力的守恆”涉及的是當已認識到的物質的一切運動形式；同時，它是在一定的哲學思想指導下（邁耳），在實驗的基礎上（焦耳），用公理化結構（亥姆霍茲）建立起的理論。如果現在仍用“永動機不能造成”來表述定律的話，那已賦予它新的內涵了，即現在的機器可以是機械的，也可以是熱的，電磁的、化學的，甚至可以是生物的了；同時，永動機不能永動的原因也得到揭示。
另外，也要看到，“力的守恆”原理雖然有焦耳的熱功當量和電熱當量的關係式，還有亥姆霍茲推出的各種關係式，但它們都是各自獨立的，還沒能用一個統一的解析式來表述。因此“力的守恆”還是不夠成熟的。
3定律的解析表述——熱力學第一定律（1850～1875）
要對定律進行解析表述，只有對“熱量”、“功”、“能量”和“內能”這些概念的準確定義才行。
“熱量”的慨念早在十八世紀就給出了，就是熱質的量。1829年，蓬斯萊（J·V· Poncelet 1788～1867）在研究蒸汽機的過程中，明確定義了功為力和距離之積。而“能量”的概念則是1717年，J·伯努力（J·Bernoulli 1667～1748）在論述虛位移時就採用過了的。托馬斯·揚於1805年就把力稱為能量，用過了的。托馬斯·揚於1805年就把力稱為能量，由此定義了揚氏模量。但他們的定義一直未被人們接受，難怪邁耳、焦耳和亥姆霍茲還用“力”來稱為能量。這對定律的表述極不利，再加上熱質說的影響還遠未肅清，因此“力的守恆”原理一直不為大多數人所接受。當然，也有一批有識之士認識到定律的重大意義並為它的完善進行了卓有成效的工作。其中最著名的是英國的W·湯姆孫（W·Thomson1824～1907）和德國的克勞修斯（R·Clausius 1822～1888）正是他們在前人的基礎上提出了熱力學第一和第二定律，由此建立了熱力學理論體系的大廈。
1850年，克勞修斯在德文版《物理學和化學年報》第79卷上，發表了《論熱的動力和能由此推出的關於熱學本身的定律》的論文。文中指出：卡諾定理是正確的，但要用熱運動說並加上另外的方法證明才行。他認為，單一的原理即“在一切由熱產生功的情況，有一個和產生功成正比的熱量被消耗掉，反之，通過消耗同樣數量的功也能產生這樣數量的熱。”是不夠的；還得加上一個原理即“沒有任何力的消耗或其它變化的情況下，就把任意多的熱量從一個冷體移到熱體，這與熱素來的行為相矛盾。”來論證。他說，只有這佯，才能把熱看成一種狀態量。接下來他作了以下的十分重要的工作：
對於永久氣體，下式成立：
pV=R（273+t） （1）
P是壓力，V是單位質量的體積，t是攝氏溫度。再考慮微小的卡諾循環，可由（1）式得出這一過程中所做的功為：
同時也可計算這一過程消耗的熱量：
設熱功當量的係數為A，套用焦耳原理，由（2）和（3）得：
這時克勞修斯引進了一個新的態函式U，（4）式變為：
對於這個新的態函式，他指出“其性質有如人們通常所說的那樣，假定它為總熱量，是一個V和t的函式，由變化的過程的初態和終態完全確定。”
U=U（V，t） （6）
就這樣，他得出了熱力學第一定律的解析式：
dQ=dU=dW （7）
我們知道，一個知識領域只有發展到了揭示和把握對象的規定和量的聯繫時，也就是當用上了數學工具時，它才真正成為了一門科學。因此，只有到了這個時候，能量的轉化和守恆定律才同熱力學第二定律的熵的表述一起構成了熱力學的理論體系的基礎。
1853年，W·湯姆孫重新提出了能量的定義。他是這樣說的：“我們把給定狀態中的物質系統的能量表示為：當它從這個給定狀態無論以什麼方式過渡到任意一個固定的零態時，在系統外所產生的用機械功單位來量度的各種作用之和。”他還把態函式U稱為內能。直到這時，人們才開始把牛頓的“力”和表征物質運動的“能量”區別開來，並廣泛使用。在此基礎上，蘇格蘭的物理學家蘭金*（W·J·M·Rankine 1820～1872）才把“力的守恆”原理改稱為“能量守恆”原理。
熱力學理論建立之後，很多人還是覺得不好理解，尤其是第二定律。為此，從1854年起，克勞修斯作了大量的工作，努力尋找一種為人們容易接受的證明方法來解釋這兩條原理（當時還是叫原理），並多次用通俗的語言進行宣講。這樣，直到1860年左右，能量原理才被人們普遍承認。
4定律的準確表述——能量的轉化和守恆定律（1875～1909）
1860年後，能量定律“很快成為全部自然科學的基石。特別是在物理學中，每一種新的理論首先要檢驗它是否跟能量守恆原理相符合。”但是，時至那時，原理的發現者們還只是著重從量的守恆上去概括定律的名稱，而沒強調運動的轉比。那到底是什麼時候原理才被概括成“能量的轉比和守恆定律”的呢？從恩格斯在《反杜林論》的一段論述中，可以得到問題的答案。
恩格斯說：“如果說，新發現的、偉大的運動基本規律，十年前還僅僅慨括為能量守恆定律，僅僅概括為運動不生不滅這種表述，就是說，僅僅從量方面概括它，那么這種狹隘的、消極的表述日益被那種關於能量的轉化的積極表述所代替，在這裡過程的質的內容第一次獲得了自己的權利，……”恩格斯這段話發表於1885年，他說十年前消極表述日益被積極表述所代替，由此判斷，“能量的轉化和守恆定律”這一準確而完善的表述應形成於1875年或稍後一點。
到此為止，似乎有關定律的一切問題都解決了。其實不然。
我們知道，直到二十世紀初，熱力學中的一個重要基本概念——熱量還是沿用的十八世紀的定義，而這個定義是以熱質說為基礎的。也就是說，在熱力學大廈的基石中還有一塊是不牢固的。因此，1909年，喀喇氏（C·Caratheeodory）對內能進行了重新定義：“任何一個物體或物體系在平衡態有一個態函式U，叫做它的內能，當這個物體從第一態經過一個絕熱過程到第二態後，它的內能的增加等於在過程中外界對它所做的功W。”
U2-U1=W （8）
這樣定義的內能就與熱量毫不相關了，它只與機械能和電磁能有關。在這一基礎上可以反過來定義熱量：
Q=U2-U1-W （9）
直到這個時候，熱力學第一定律（能量的轉化和守恆定律）、第二定律及整個熱力學理論才同熱質說實行了最徹底的決裂。
綜觀全文，可知“能量的轉化和守恆定律”的三種表述反映了人類認識這一自然規律的歷程。這三種表述一種比一種更深刻，一種比一種更接近客觀真理。人類正是這樣一步一步地認識物質世界的。
[編輯本段]能量守恆定律的檢驗
任何物理學定律都需要經過嚴格的，反覆的檢驗，特別是在把特點領域裡發現的定律移植到其他相關領域的時候，往往會發生定律被破壞的情況，比如宇稱守恆定律在弱相互作用和電磁相互作用中先後被實驗打破。這是不以人的意志為轉移的，即使是被人類社會廣泛認同的定律，在沒有經過嚴格檢驗的領域內，仍然不能一廂情願地認為它是正確的。
焦耳在研究機械能和熱能的基礎上提出能量守恆定律，當時科學界還不了解電磁相互作用，所以能量守恆定律沒有經過在電磁相互作用下的檢驗。我們知道，在一般情況下電磁能是符合能量守恆定律的，但是不能排除特殊情況下的例外，比如宇稱守恆定律也曾經被證明在一般電磁相互作用中是正確的，但是後來被發現在Anapole的特殊結構中就不正確。由於電磁結構的多樣性和複雜性，給物理學定律的檢驗帶來很大的困難，導致這樣的檢驗是漫長的，沒有止境的。
我們可以說能量守恆定律在現有的知識領域內是正確的，但是如果說它在任何領域，任何情況下永遠正確就不是科學研究者應有的態度。