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在发现电磁感应后，法拉第又对物体如何影响电力场进行了研究。在公元1837年，他发现用两块由绝缘材料隔开的导体板组成的电容器，同一个维持恒定电势的电源联接起来，就能取得一定的电量，而电量的大小则视所用的特定绝缘材料而定。当两块板由真空隔开时，电容器获得的电荷量要比用绝缘材料隔开时小。法拉第把电容器在这两种情况下所获得的电荷量的比称为绝缘材料的电容率。为了解释这项发现，法拉第设想绝缘体中的电力线要比真空中的电力线稠密，其稠密程度同绝缘材料的电容率成正比，因此电容板就在电力线的尽头容纳较多的电荷。在公元1845年，法拉第发现物体和磁力场之间也存在类似的相互作用。他发现许多被称为抗磁的物质，在做成条状时，在磁场中的取向就倾向于同磁场交叉，并与磁力线成直角。这种取向不同于铁条和另几种被称为顺磁性物质，后者顺着磁场方向，和磁力线平行。为了解释这些效应，法拉第假定磁力线在抗磁物质中变稀，在铁与其他顺磁性物质中变密。
法拉第是在研究光、磁、电之间的关系时，偶然发现抗磁现象的。他把一块玻璃放在一个强电磁铁的两极之间，看到玻璃取向与磁场正交。在用一束偏掁光顺着磁力线透过玻璃时，他发现光的偏振面有了改变。这种磁与光的相互作用使他在公元1846年伸出一个假说，认为光可能是沿力线方向的波动。法拉第问道：
“在某种学说中用来解释辐射和发射现象的振动，是否有可能在力线中发生呢？因为力线连接微粒，所以也就将物质连在一起。如果接受这种见解，那末另一种见解所假定的作为这些振动发生的介质即以太，就不再需要了。”
法拉第提出的问
题
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是向光的电磁学说迈出的第一步。光的电磁说是克拉克·麦克斯韦(Clerk Maxwell，公元1831—1879)在公元1862年提出的。推动这一学说的发展的是一系列对静电和电流关系的研究，特别是对电流速度的估计。伦敦的物理学教授查理·惠斯通(Charles Wheatstone，公元1802—1875)在公元1834年用一个旋转镜研究了长电路两端之间的火花以测量电流的速度。他估计的结果是电的速度相当于光速的一倍半。法国的斐索在公元1850年得出电流的速度在铁线中是光速的三分之一，在铜线中是光速的三分之二。最后，海德尔贝格的基尔霍夫在公元1857年证明，静电和电流是以一个常数相联系，这个常数的量纲是速度。他将两个静电荷的吸引力与他们放电时所产生的磁力相比较，证实了这个常数同光速的数值相同。
克拉克·麦克斯韦先是伦敦大学的自然哲学教授，后来到剑桥大学任教。他努力想将法拉第对电磁现象所作的大体上是定性的解释，改为定量的和数学的形式。麦克斯韦首先发展了法拉第力线观念的定性描述，引进了光的波动说中的以太。麦克斯韦设想力线是绕着自身的轴旋转的以太管，这种旋转的离心力使以太管向侧面扩张，向纵的方向收缩，就同法拉第为了解释吸引和排斥时所设想的一样。但是朝相同方向旋转的两个相邻的以太管，在接触点上的转动将是相反的，这个观念在力学上是不可能出现的。麦克斯韦于是再假设以太管之间存在着微粒层，这些微粒的转动方向与以太管相反，就象滚珠轴承或游轮的情况那样。如果所有以太管都以同速旋转，微粒的位置就不变；否则就有某一个微粒做直线运动，其速度等于管子两侧圆周速度的平均值。这样一来，如何通过某种手段使一个以太管的转动速度发生变化，就会在整个系统中把扰动传播开来，而微粒就会以直线运动从一个以太管滚向另一个以太管。麦克斯韦认为这些微粒具有电的性质，因而设想微粒这样运动起来就成为电流。
相反，如果有一个微粒偏离其正常位置，那就会在邻管上起一种切向应力作用，由于这些管子具有弹性，它们就将帮助偏离的微粒恢复其正常位置。麦克斯韦设想两块电容板之间的静电场中存在这种应变状态，板上的电荷使电微粒移位，微粒反过来又对两极之间的以太管施加应力。根据他的以太模型中的振动应力和应变的各种可能性，麦克斯韦就从制约这个模型力学的动力学规律推出波动式扰动在以太中的传播速度等于光速。所以，看来光是一种电磁现象，或者象麦克斯韦所说的：“光是引起电磁现象的那种介质中的横向波动。”在其他不同于空虚空间以太介质的物质内部，麦克斯韦证明，电磁波的传播速度应当等于光速和该物质的电容率的平方根的乘积，由于光在透明物质中的速度依赖于其折射率，因此一种物质的电容率看来应当等于其折射率的平方。这个预见后来得到了证实。
麦克斯韦并没有作许多实验来证实从他的理论上引伸出来的各种预见，也没有进一步从定性方面发展电磁以太模型以及假想的电微粒或电子观念。在他的晚期著作中，他抛弃了以太模型，专门研究他为以太中的波动式的扰动所推论出的数学方程式，并将这些方程式应用于光学现象。其他一些科学家，尤其是格拉斯哥的凯尔文勋爵，则以力学模型为基础，用类比的来解释所研究的各种自然现象，他们看到理解麦克韦的数学工作中的某些困难，就想用其他的以太模型将光、电、磁等现象总括起来。凯尔文在公元1884年写道：
“在我没有能给研究对象建立起一个力学模型之前，我是永远都不会满足的。如果我能成功地建立起一个模型，我就能理解它，否则我就不能。因此我不能理解光的电磁说。我希望尽可能理解光是什么，而不引进使我对光理解得更差的东西。因此我坚持要用简单的动力学来解释光，因为在力学上，而不是在电磁理论上，我能找到一模型。”
因此，凯尔文在公元1890年就想用麦古拉的光以太来解释光、电、磁的现象，这种以太的元素被假定为能抗拒转动应力，而不抗拒线性位移。凯尔文假定电效应是由麦古拉元素──以太──的平动(translatory motions)引起，磁现象是由转动引起，光是波动式的振动引起。可是麦古拉模型暗示着对透明介质施加电场将会改变光在介质中的速度，而这并不符合实际情况。在十九世纪下半叶还出现了许多别的以太模型，它们在解释当时的光、电、磁的多种多样现象上各有程度不等的成功。某些人甚至想将物质的各种性质都装进以太模型里来，例如在公元1867年凯尔文设想物质的原子是以太中的涡环，就象是空气中的烟圈那样的东西，但是用这种说法来解释物质的重量和密度却很困难。最后所有的以太模型，包括为这种假想的介质所提供的绝对空间，都不得不抛弃掉，因为后来证明一个物体的绝对速度，即其相对于以太的速度，是一种毫无意义的观念。
从光的电磁说所作出的一个最重要的推论在公元1883年为都柏林的自然哲学教授菲茨杰拉德(Fitzgerald，公元1851—1901)所提出。他指出，如果麦克斯韦的学说是正确的，那末用纯粹的电学办法使电路中的电流作周期性的变化，就应当能产生出电磁辐射。在公元1853年，凯尔文曾证实莱顿瓶和其他电容器的放电具有振荡特性，电荷在衰退到零时有上下的起伏。因此菲茨杰拉德提出，放电的电容器可以作为产生麦克斯韦理论所预言的电磁波的一个很好的电源，并指出波长越短，所载能量就越大，也就越容易侦测。
这样的侦测电磁波的仪器由海因里希·赫兹(Heinrich Hertz，公元1857—1894)在公元1886年发明了，他后来当了波恩大学的物理学教授。他发现，如果将一个导线回路放在一只放电的莱顿瓶或一个正在工作的感应线圈附近，在回路两端的短隙之间就越过电火花。莱顿瓶或线圈中的电磁辐射为回路取得，辐射转为电流，它通过电火花产生间隙放电。赫兹接着利用这个简单仪器进一步证明这种辐射具有和光类似的特性。在公元1888年，他证明电磁波在实验室的墙壁上发生反射，在通过硬沥青的三角棱时能够发生折射。此外，电磁波能象光波一样有衍射、偏振现象，在直线传播时，其速度与光速是同一个数量级。赫兹就这样证实了麦克斯韦的光的电磁说中的最重要预见，他所提供的这些基本发现也为以后的无线电广播和雷达的发展奠定了基础。
第39章、热力学：能量转换的科学
关于能的各种形式，如热、光、电、磁、化学能和机械能之间关系的科学，是因研究磨擦生热和热通过蒸汽产生机械能而兴起的。在十七世纪，一些自然哲学家，其中较著名的有培根、波义耳、胡克和牛顿，都认为热是物体微粒的机械运动，运动的速度随着温度而增高。随着十八世纪化学的发展，热结果被看作是一种没有重量的物质，称之为热素。固体的融化和液体的蒸发都被看作是热质和固体物质或液体物质之间的一种化学反应。
按照热素说，磨擦生热是由于磨擦的两个物体放出了和它们化学结合或机械混合的物质，由之得出热量和产生热的磨擦量应该成正比。公元1798年，从美国移居欧洲的科学家伦福德(Rumford’公元1753—1814)在慕尼黑钻造炮筒时，观察到产生的热量和钻磨量或多或少是成反比的。钝钻头比锐利的钻头给出更多的热，但是切削反而少，这和热素说恰巧相反，因为根据热素说，锐利钻头应当更有效地磨削炮筒的金属，并从中放出更多的与金属结合的热质。伦福德发现一只简直不能切削的钝钻头，竟能在二小时四十五分种内使十八磅左右的水达到沸点。这样多的热完全是由机械能产生的，因此伦福德的结论是热本身是机械运动的一种形式。
热的唯动说在当时并没有为人们广泛接受，不过伦福德却找到一个信奉者，那就是后来在皇家学会的亨弗利·戴维。戴维在公元1799年做了一个实验，在真空中用一只钟表机件使两块冰相互磨擦，整个实验仪器都保持在水的冰点。他断言有一些冰因机械磨擦结果而融化了，因此戴维根据这个实验设想热是“一种特殊的运动，可能是各个物体的许多粒子的种振动”。托马斯·杨在公元1807年提出一个稍为不同的热之唯动说，他根据赤热物体给出的辐射热和光谱红外区的热效应的研究，设想热或许是象光一样的波动。可是热之唯动说在当时很少有人支持；直到十九世纪五十年代，人们多半普遍接受的是热的物质说，即热素说。
与此同时，法国人正在研究控制蒸汽机把热变为机械能的各种因素。这些因素在英国人那里并没有人进行过充分的研究，虽则那时在英国使用蒸汽机已经超过了一百年。瓦特曾经画过一张器示压容图，用图示形式说明蒸汽压力如何随蒸汽机中汽缸的有效容积而变动，但是不论瓦特或者其他的英国科学家，那时好象都没有从这张图推论出什么来。英国的工程师，如瓦特，大都是自学出来的，但是十九世纪早期的法国工程师则是在多种工艺学院和理论科学家一同受到训练的，所以倒是他们比较能够从事蒸汽机理论和一般机器理论的研究。
法国的理论科学家和实用工程师都研究了热的问题，而且一般说来，他们两者都采纳了热物质说，把热素看作是一种没有重量的流体。属于多种工艺学院理论物理学派的傅立叶(Joseph Fourier，公元1768—1830)在公元1822年了《分析理论》，处理了热在固体中的流动，这是一种新的数学分析方法，也处理了笛卡儿曾经建议过但没有加以发展的量纲理论。傅立叶主要关心的是热的传导现象，根本不管热的机械效应。傅立叶注意到物体受热而膨胀并产生机械力，“但是当我们研究热的传播定律时，我们计算的并不是这些膨胀现象。”傅立叶事实上认为研究热现象是有别于力学的一门科学。傅立叶写道：
“存在着范围很广的各类现象”，“都不是由机械力产生的，而完全是由于热的存在和积聚的结果。这一部分的自然哲学不能放在力学理论的下面：它有其本身所特具的原则，而且它根据的方法和其他精密科学的方法是相似的。”
另一方面，法国的工程师主要关心的则是热效应和机械效应的关系。在公元1824年，一位法国陆军工程师萨迪·卡诺(Sadi Carnot，公元1796—1832)发表了《谈谈火的动力》，企图分析蒸汽机和一般热机决定热产生机械能的各种因素。卡诺引起人们注意这样的事实，即蒸汽机里的热是从高温部分，即锅炉，流向低温部分，即冷凝器；在这个过程中，通过汽缸和活塞产生了机械功。在这方面，卡诺认为蒸汽机和另一种原动机水车是相似的。卡诺写道：
“我们可以恰当地把热的动力和一个瀑布的动力相比。瀑布的动力依赖于它的高度和水量；热的动力依赖于所用的热素的量和我们可以称之为热素的下落高度，即交换热素的物体之间的温度差。”
两者的类似以及这种类似所根据的热素说，使得卡诺得出一个不正确的结论，即在蒸汽机操作的过程中，热并没有损失或者变为机械能。他认为高温锅炉放出的热量，和低温冷凝器所接受到的热量是相等的。可是这种类似也使他获得有益的见解，即一部蒸汽机所产生的能量，在原则上，完全依赖于锅炉和冷凝器之间的温度差和由锅炉传到冷凝器的热量。这样看来，一切蒸汽机和一切热机，如果在同样温度之间工作，就会具有同样的效率。他指出如果这个结论不正确的话，永动机就将是可能的，以此证明这个结论人，即熟知的卡诺原理。如果两台完善的热机在同样温度之间操作，不具有同样效率，那末效率高的机器就可能驱使效率低的机器反转，把热从低温抽到高温，这一来就会使热的状态保持不变，然而却连续地产生出纯粹多余的机械能。卡诺认为永动机是不可能的，因此他假定一切热机在同样温度之间操作，不管它们的操作方式怎样，或者用来传热和工作的材料是什么，效率都是一样，这就是说，不论这些机器是涡轮机或者是汽缸发动机，也不管它们使用的是蒸汽，是空气或者其他操作材料，效率都是一样。
后来，卡诺在公元1830年，在意识到他把蒸汽机和水车相类似并不确切，有一些热在机器操作过程中转变为机械能，因而就丧失了。因此他就放弃了热素说，而采纳热只是各种物体中许多微粒运动的看法，热和机械能可以相互转化和等价的。可是卡诺在公元1832年霍乱瘟疫中病故，而他记在笔记本中的后期见解直到公元1878年方才发表。卡诺的早期根据热素说的研究工作由另一个法国工程师，巴黎桥梁道路学院教授克拉佩龙(Clapeyron，公元1799—1864)，加以发展。公元1834年克拉佩龙恢复了或者重新发现瓦特的器示压容图，它表明蒸汽机一次操作循环中压力怎样随着汽缸的容积而变化。他指出压力—容积图的面积为一循环变化所作的功提供了估计，而且他提出可以由所作的功和这一循环中所供应的热量之比来给出一台热机效率的测量。
卡诺工作的重要性通过克拉佩龙才被人知悉，直到十九世纪五十年代才普遍被人意识到；在当时，人们的注意力重新转到从机械运动和其他能源产生热的问题上来。在德国，这个问题是通过化学和生物学的观点来趋近的。拉瓦锡曾经证明热量和动物呼出二氧化碳量之比，大致上等于烛焰产生的热和二氧化碳之比。由此可见，热血动物的热好象并非不可能是从它们吃的食物燃烧的化学能产生的。过去在巴黎受过教育的李比希则设想动物的机械能，以及它们的体热，可能来自它们食物的化学能。德国科学家在这个问题上的意见并不一致，有些主张有机体的活动力是与生物所特有的一种活力有关。李比希的一个学生弗里德里希·莫尔(Friedrich Mohr，公元1806—1879)则采取一种机械观；据此他推出所有各种不同形式的能都是机械力的表现的见解。莫尔在公元1837年写道：
“除了已知的五十四种化学元素外，自然界还存在着一个动因，这被称之为力；在适当的条件下可以表现为运动，凝聚、电、光、热和磁……热因此并不是一种特殊的物质，而是各种物体中许多最小部分的一种振动。”
这样的见解在公元1842年又被罗伯特·迈尔(Robert Mayer，公元1814—1878)提了出来。罗伯特·迈尔是巴伐利亚省海尔布隆的一个医生，当他在热带的一艘船上作医生时，他注意到病人的静脉血比他在欧洲看见的颜色要红些。他把这种区别归之于在热带条件下静脉血含有较多的氧，而氧所以多出来是由于提供体热燃烧掉的食物减少的缘故。这种现象看来支持体热来自食物化学能的见解，而且迈尔假定肌肉的机械能也来自同一来源，机械能、热、化学能都是等价的，并能相互转化。在回到德国以后，迈尔又进一步研究了这个问题。从本世纪初开始人们就知道气体向真空中膨胀，并不发生热的变化，但是气体反抗压力膨胀，就要作机械功，就要吸热。迈尔看出在第二种情况下，机械功是由所吸收的热产生的，两者是等价的，并且根据已发表的关于伴随气体膨胀的热变化的资料，他计算了等价于一定数量的机械能的热量。
迈尔的论文和原先莫尔的论文一样，被德国主要物理学杂志的主编波根道夫退回了，理由是论文里没有实验工作。这是波根道夫和其他德国物理学家的一个确定不移的政策，因为他们要避免那个时期自然哲学空论的倾向。迈尔的论文终于在公元1842年由李比希和莫尔主编的一个化学杂志上发表了；从他的论文看来，迈尔是有点象个自然哲学家，尽管他的那些臆测取得了肯定的成就。他论证说，力本质上就是因，由于因是不可灭的和转化为果的，所以可以推论力同样也是不灭的和可以相互转化的。迈尔写道：
“运动在许多情况下只不过产生热效应，因而热的来源只不过是由于运动。”
另一个德国人也是从生物学的现象出发，得出各种不同形式的能可以相互转化和守恒的思想的，是哥尼斯堡的生理学教授，后来是柏林大学生理学教授的赫尔曼·赫尔姆霍茨(Hermann Helmholtz，公元1821—1894)。为了反对那些活力派学说，赫尔姆霍茨论证说，活的机体如果除掉从饮食取得能以外，还能从一种特殊的活力获得能的话，那末它们就会是永动机。永动机是不可能的，这条原理因而就表明动物完全是从食物获得能的，食物的化学能被转化为等价的热量和机械功。赫尔姆霍茨进一步论证说，如果热和其他类型的能，其本身都是机械运动的各种形式，那末根据十七世纪和十八世纪确立的机械能守恒的定律，就可以得出宇宙总能量是常数的原理。赫尔霍茨关于能量守恒原理的第一篇论文，象莫尔与迈尔的论文一样，也被波根道夫退回，但还是在别处发表了。
建立能量守恒原理的实验，在英国是由曼彻斯特的一个酿酒商兼业余科学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule，公元1818—1889)进行的。焦耳象迈尔以及其他人一样，深信能是不灭的，并能表现为各种形式，但是他和德国科学家不同，竭力想从实验上证明是如此；他系统测量了可以转化为一定数量热的各种形式的能量。他并且有一个全面的机械的物质世界的图景，深信热是各种物体中许多粒子的运动，因此热基本上和机械能是一回事。他对迈尔的自然哲学家的观点感到不能容忍，因为迈尔强调热的机械当量是一个纯粹的数字，它表达了能从一种形式转为另一形式的性质转换，而与热的机械说或任何理论模型无关。
焦耳首先研究的是电。电的研究当时进步得很快，但是焦耳和其他的大电学家戴维和法拉第不同，只集中研究电流的热效应。在公元1840年，他测量了电流通过电阻线发出的热，发现在一定时间内发出的热量和电路的电阻和通过电阻线的电流的平方成正比，这种关系就是熟知的焦耳定律。焦耳根据这一实验设想电能因阻力而转化为热了，不过他并没有忘记热有可能是一种物质即热素，并且是由电流从电路的这一部分输送到另一部分去的。公元1843年，他通过一台发电机封在盛水器里操作时所耗费的机械功，并以水温的增高测定所产生的热量，从而否定了后一种可能性。在这里，电路是完全封闭的，因此水温的增高是由于机械能转化为电，电又转化为热的结果，而不是由于热素从电路这一部分被输送到另一部分所致。焦耳在确定各种形式的能可以定量地相互转化之后，就精确地测量了用桨轮搅水时机械产生的热量，发现772呎磅的机械功产生并等价于使一磅水升高华氏一度的热量。
焦耳的研究并没有立刻引起注意。皇家学会拒绝发表他的两篇论文；对这件事焦耳并不感到奇怪，因为他知道皇家学会那些绅士科学家和工业区曼彻斯特科学家之间，在兴趣和价值观念方面都是不同的。可是到了公元1847年英国科学促进协会开会时，威廉·汤姆生(William Thomson，公元1824—1907)即凯尔文爵士注意到焦耳工作的重要性；汤姆生指出，焦耳研究的结果和法国工程师们精心建立的热机理论是矛盾的。焦耳的实验表明机械能是定量地转化为热，而法国的热机理论则指出这种倒转的变化不会发生的，热在蒸汽机里并不转化为机械能，而只是从高温降落到低温。
凯尔文开头采纳法国人的观点，因为看上去这种观点比较有利。在公元1848年凯尔文证明绝对温标可以基于卡诺的完善热机的理论来制定。到那时为止，温度是靠固体、液体和气体加热后的膨胀来测量，用同等膨胀的增量来估计同等温度的增量。可是根据不同测温材料所定的温标相互间并不完全一致。水银温度计和气体温度计就稍有不同，而且显然没有什么理由可以认为这种温度计的测量比别的温度计的测量更加基本。卡诺的理论指出一切完善的热机在同样温差之间开动，不管使用的工作物质是蒸汽，是空气，等等，其效率都一样。凯尔文因此提出在绝对温标上的同等温度增量，可以定义为温度的范围，一台完善热机将在这个温度范围以同等效能操作。后来在公元1854年，当热素说普遍被人抛弃之后，凯尔文就建议另一种绝对温标，根据这种温标，同等温度增量是一台热机产生同量功的温度范围；他并且指出这种温标和气体温度计的温标十分密切地符合。
焦耳、迈尔和其他人的观点都被在格拉斯哥的凯尔文和在柏林的鲁道夫·克劳胥斯(Rudolph Clausius，公元1822—1888)融合在热机理论里。他们注意到，当气体和蒸汽反抗外力膨胀，并完成机械功时，它们损失了热，有些热转化为机械能并在蒸汽机的操作中这样地损失掉。不同形态的能的守恒和相互转变定律的主要障碍现在被克服了，所以在公元1851年由克劳胥斯和凯尔文把这条定律作为一个普遍原理提了出来。当卡诺的热机在操作循环中热量减少时，同时却可以看出有一个量在整个循环中保持常数。热机给出的热量小于得到的热量，但是得到的热量除以热源的温度和给出的热量除以散热装置的温度，两者具有同样的数值。克劳胥斯在公元1865年称这个量为熵(entropy)。
克劳胥斯指出卡诺的完善热机，正确说来，只是一种抽象，因为在日常经验中，热的物体倾向于自发地冷却，同时冷的物体则会热起来，但是如果天然物体组成一对卡诺热机，一只驱使另一只逆转，那末热的物体将永远是热的，冷的物体将永远是冷的。而在自发的热过程中，例如热传导沿着一根金属棒而下，则热量保持不变，温度却降低了。熵即热量除以温度，因此在自发的自然过程中倾向于增加，而不会如在完善热机里保持不变。这就是热力学第二定律。正如克劳胥斯说的“宇宙的熵趋于一个极大值”，热力学第一定律就是现在熟悉的能量不灭原理，“宇宙的能量恒定不变”。
克劳胥斯和其他人根据物质的原子论，对热力学的定律作了动力学的解释。气体是由运动的分子组成，气体的压力是分子撞击容器壁的结果，这个学说在公元1857年被克劳胥斯重新复活。气体的热能归属于气体分子运动的动能，这些分子的速度随着温度的增加而增加。在伦敦，麦克斯韦进一步发展了气体动力论，于公元1866年指出气体中分子的偶然撞击，将使少些分子具有比平均能量较多的能，而使另一少些分子具有较少的能。他根据概率计算出这样分子系集中比平均能量超出一定数量的能的分子的分数，这个结果后来在许多情况研究中很重要，如在化学反应或从液面与固体面逸出的分子，少数高能的分子就被设想能越过能垒并发生变化。麦克斯韦指出，对于一个能控制个别气体分子的人来说，热力学第二定律就不再保持，因为这样一个“妖”能够把快速运动的分子和慢速运动的分子分开，从而创造一种温差而不费能。凯尔文认为动植物可能包含有这种“麦克斯韦妖”，但是麦克斯韦本人认为生物和无机物体同样都遵守热力学定律。
按照原子论，热力学第一定律可以看作和早先的物体碰撞时动能不灭原理相同，因为热能等于物质分子的机械能。热力学第二定律则被奥地利物理学家路德维希·波尔茨曼(Ludwig Boltzmann，公元1844—1906)解释为能在自发运动，例如机械能转变为热或热体变冷，所涉及体系的分子倾向把能作混乱分布或麦克斯韦分布。这种分布是取最可几分布，这是最混乱或者是最无序的，而其他比较有序分布的几率比较小。因此一个体系中熵的自发增加，可以和这个体系的分子能的分布几率的增加联系起来，波尔茨曼在公元1877年证明熵是和这种几率的对数成比例的。
热力学第二定律和它的分子解释，给予时间的流逝以物理意义和方向，而这是牛顿力学体系一直没有的。原则上牛顿宇宙的力学是可逆的。从理论上说，一颗炮弹在击中靶子之后可以弹回，并循着原路折回到炮筒里来。根据热力学第二定律，这种不测事件完全是不可能的。炮弹的有序、单向的运动将会不断地被空气的磨擦阻力转化为热，这就是说，转化为空气和炮弹分子的混乱和无序的运动，最后在炮弹击中靶子时，有序的直线运动的全部痕迹全被破坏了，有序的运动转化为炮弹和靶子的混乱热运动。这样的变化是不可逆的：机械能在转化为热并且当热消散之后，世界上就永远不再受它的影响了。
能的自发消散率，例如太阳通过持续发射逐渐冷却的过程，就给出时间流逝的测量。凯尔文在公元1854年说过：“至于太阳，我们现在可以根据牛顿和焦耳的那些原理追溯和预测它的历史。”法国的鲍伊莱和约翰·赫舍尔于公元1837年独立地在好望角测量了太阳每年发出的热量。两人得出的数字非常一致；赫舍尔计算了太阳一年发出的热足以融化几百呎厚包围地球的冰层。迈尔在海尔布隆于公元1848年指出，如果太阳是一大块煤的话，那末按照这个速度，它就会在五千年之内烧光；而且他提示落到太阳上面和许多流星和小行星所含的动能，或许会为太阳每年的输出提供足够的热。英国的沃特斯顿在公元1853年独立地提出同样的假设，但是也指出如果同样密集的流星落在地球上，流星对地球的撞击就会使地球永远处在赤热状态。赫尔姆霍茨在公元1854年提出一个比较满意的假设，他设想组成太阳的大量粒子间相互的引力吸引，会使太阳收缩，从而使粒子的势能，即相互之间的引力，转化为动能，也就是说，转化为热。只要每年收缩不多的几百呎就可以说明太阳每年发出的热能，但是这一来就确定了太阳的过去和未来可能的年限。根据这个设想计算表明，太阳已经存在了二三千万年，而且还将有一千万年左右的寿命。
根据地球的冷却率，对地球的年龄也可以作出相似的估计。凯尔文在公元1862年指出，地球适于居住的年龄至多不能超过两亿年；到了公元1899年，他又把年限缩短为二千万到四千万年。这样的估计和地质学家根据按历史顺序排列的水成岩地层的总厚度，和江河三角洲新形成的水成岩成泥的沉积率定出的地球年龄的数值是相反的。地质学家按此估计水成岩的形成至少有两亿年的期限，有些地质学的计算，包括前期水成岩的形成时间在内，总计要达到四亿年光景。有些热力学家觉得地质学家一定搞错了。公元1866年凯尔文在格拉斯哥地质学会一次会议上说：
“地质学理论中一场重大的改革，现在看来变得必不可少的了，目前英国流行的地质学和自然哲学的原理是直接对立的。”
赫胥黎于公元1869年在伦敦矿物学院回答说，地质学的证据象物理学的证据一样有效，可能物理学家搞错了。在公元1900年，也就是凯尔文把地球年龄缩短估计为二千万到四千万年之后的一年，地质学家詹姆斯·盖基(James Geikie)指出把地壳的压缩归之于一亿年冷却的结果，不足以说明阿尔卑斯山褶皱岩石的厚度。公元1899年，另一个地质学家张伯伦设想物理学家的那些理论说不定是不完备的，因为原子很可能具有复杂的组织和巨大的能量，并在太阳内部的某些条件下释放出来。
贝克勒尔在公元1896年发现的放射现象，导致太阳能学说沿着张伯伦所预言的方向发展，并进一步提供了一些估计地球年龄的方法，这些方法充分证实了地质学家早先的估计。人们发现铀每六千六百万年裂变百分之一，最后成为轻的铅。岩石层的年龄因此可以从岩石层中所含的铀和轻铅的相对数量来决定，结果表明地质学家所估计的水成岩年龄，其数量级是正确的，而且某些矿石早在1.985亿年交就已经形成了。
另一个受到热力学影响的领域是科学的哲学。卡诺曾证明热机的操作和构成机器的特殊工作物质毫无关系，后来的物理学家也强调热力学并不需要任何涉及物质特性的猜测或假定，因为这门科学研究的只是能的变化。热力学定律是根据物质的原子物质论来解释的，但是这种解释对热力学说来并不是主要的。热力学没有一个物质本性的理论模型照样行，老实说它不需要假定物质客观存在也照样行。由于这个缘故，某些热力学家，特别是来比锡的化学教授威尔赫姆·奥斯特瓦尔德(Wilhelm Ostwald，公元1853—1932)，设想自然界的各种现象只是能的各种表现和能的各种转变，建立了所谓“唯能论”思潮的学派。奥斯特瓦尔德写道：
“我们听到的，来自空气振动对耳鼓和中耳所做的功。我们看见的，只是辐射能在眼膜上做的化学功，而被感觉为光……根据这个观点，整个自然界显现为一系列在时空中变化着的能；我们从冲击到我们身体的那些部分的能来获得知识，这特别依赖于对专为接受适当能而形成的感觉器官的冲击。”
关于物质本性的假说一旦被放弃以后，能的本性的假说显得也就没有什么理由可以保留了。自然界可以看作是一连串观察到的现象，而科学就只是联系这些现象的一种活动。迈尔指出热的机械当量只是一个联系不同现象的纯粹数字，它与热之唯动说、热素说或任何其他学说都无关；正因为如此，在他看来，这个数字比任何假说都更有价值。迈尔写道：
“一个单独的数字比一座装了各种假说的奢华的图
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馆具有更真实和更永久的价值；企图用假说来探究世界秩序的内在奥秘，这是象炼金士的努力一样的例子。”
这样一种见解在公元1872年被布拉格的物理学教授，后来又任维也纳的哲学教授的恩斯特·马赫(Ernst Mach，公元1838—1916)加以发展；马赫对当时科学家用理论的机械模型，例如化学中使用物质的原子论，和想出各种以太连续体来解释光、电、磁现象这种普遍趋势加以攻击。他指出在热力学里，并不使用自然的机械模型，观察到的现象可以直接相互联系。他因此设想一切科学的原型是热力学，而不是机械学，而且为了排除科学中的一切假说性的推测和理论结构，热力学的方法论应当用之于其他科学。
马赫认为科学主要由一大堆观察的事实和现象所组成，它们再由若干定律和法则约束在一起。自然规律实际上只是为了记忆事实的方便和经济起见而发展的一些人为
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，因为人的心力太弱了，记不了所有观察到的事情。马赫写道：一条科学定律
“不比许多孤立的事实放在一起多出一点点的事实价值，它的价值只在于方便。它只有功利价值……如果一切独立的事实，一切分立的现象，都能象我们要求关于它们的知识那样，能直接而容易地为我们取得，那末科学就永远不会出现。”
在马赫看来，科学的任务就是根据一般的关系将观察的事实分门别类，这些关系把各领域内的所有特殊事例全都描述到，而不引进任何假说或者理论模型。马赫在公元1896年称之为唯象论的物理学的这种研究态度，对热力学领域的某些研究者来说，并不是没有吸引力的，虽则大多数科学家仍旧坚持着他们的理论和他们对自然的机械模型。
对马赫及其学派的最严肃的责难要留待那些原子论的拥护者来作，因为这些原子论者成功地冲进了热力学的领地。马赫声称原子论者曾经企图“造出一个概念来，它的绝对的素朴和粗糙就象在主张物质绝对不变是物理学的基本教义一样”。可是马赫本人也没有完全摆脱原子论的影响；事实上，原子观在某种意义上构成了他的思想体系的基础，因为他认为科学家的世界是一个许多个别观察事实或者作原子理解的河流。他的一个信徒，路德维希·维特根斯坦(Ludwig Wittgenstein)毫不隐讳地说：“现存的许多原子事实的总和就是世界”。这样一种见解所根据的是，现象作为许多独立元素而被感知的那种心理学，而这个学说曾是十七、十八世纪英法自然哲学家所发展的宇宙是原子—机械模型的产物。
马赫的唯象论哲学并没有毫无争议地被通过。波尔茨曼在公元1899年抗议说，马赫已经抹杀了形而上学理论和科学理论的所有区别，而且以一维的许多个别观察事实的长流来代替时空概念的结构，使科学的概念变得贫乏了。在捍卫物质的原子论时，波尔茨曼坚持：
“一个学说，能够独立地取得一些不能以别的方式取得和成就，而且，还有这么多的物理、化学和晶体学的事实替它说话，对这样的学说不应当攻击，而是应当进一步加以发展。”
在当时，原子论的确取得了显著的进展。为了说明电流通过盐溶液和通过低压气体的现象，人们提出有电子，即电的原子。液体中许多微粒的运动，首先是在公元1827年被英国植物学家布朗观察到的，使法国物理学家佩林得以确定阿伏伽德罗常数，即两克氢，或者任何其他物质克—分子量的分子的数目。所有这些和其他的发展使得马赫的拥护者奥斯特瓦尔德在公元1909年放弃了自己的主张，并接受物质的原子论。
那些以太论者也仍旧坚持他们的连续域模型，因为他们意识到和原子论一样，以太模型也是有用的。这些模型之所以有用，倒不是如马赫所强调的理由，即为了“记忆”观察的现象，而是因为它们导致人们发现新的现象，例如麦克斯韦的以太，从它所列出的方程式就导致辐射波的预言。曾发现麦克斯韦预言的辐射波的海因里希·赫兹，在公元1894年为利用理论模型说明自然过程进行了广泛的辩护。赫兹写道：
“科学的首要的，而且在某种意义上是最重要的任务，就是使我们能够预言未来的经验，因而使我们能按照这个目标来指导我们目前的活动。为了从过去推出未来，并因此而获得所期望的预见，我们的步骤总是这样的：我们建立一些外界客体的主观图象或者符号，这些图象或者符号都属于这样的一种类型，即它们从理智角度推出的必然结果，也是在描述物体的本质中不变而重复的必然结果的符号，……我们一旦能够从过去的经验总和中推演出所期望的那类符号，就可以在短期内从这些符号，就象从模型出发一样，发展一些在自然世界中需要经过长时间才会出现的结果，或者能得到好象是我们亲手操作才能取得的结果。”
马赫在他同时代的卓越科学家中很少有什么信徒，但是他的哲学有一个方面在本世纪的某些地方却受到欣赏，那就是否定用理论的机械模型解释自然界的各种过程。理论物理学已经达到了采用数学模型代替机械模型，这个趋向也许可以认为从十九世纪六十年代开始的，即在麦克斯韦放弃他的以太模型，而集中精力去研究由这个模型给予他的方程式的时候开始的。特别是原子物理学家已经摒弃了为原子结构提出机械的模型。海森堡在公元1945年写道：
“现代物理学的原子只能通过一个偏微分方程式在一个多维的抽象空间中来象征它。它的一切属性都是推论性的；我们不能直接赋予它任何物质的属性。这就是说，我们想象所能臆造的任何原子图景，正是由于这个缘故，都是有缺点的。按照这种直觉的方式来理解原子世界……是不可能的。”
第40章、科学与工程学
直到公元1850年左右，工程学和一般工业上的技术革新并不怎样依赖当时的科学知识。相反，科学却从某些工程问题的研究获得很多好处，如热力学的发展，一部分就是靠蒸汽机的研究。在公元1850年之后，把科学应用到工程技术上，就成了工业发展的一个日益重要的因素；到了本世纪，则大多数卓越的技术发明主要都来自科学研究了。在公元1850年前，虽然具体的科学知识没有对工业发展起很大影响，但科学的方法却对它产生了影响。前面已经讲过，以斯米顿和瓦特为代表的十八世纪工程师们，在改良机器时使用了小型的模型试验方法，并在蒸汽机的发展中取得了相当大成就。在十九世纪上半叶，法国的工程师卡诺和克拉佩龙研究了蒸汽机工作的科学原理，建立了热力学这门科学。与此同时，英国的工程师布拉默、亨利·莫兹利、约翰·克莱门特和惠特沃思等则继承了早期的英国实验工程学传统，致力于一般机器的技术改进。
英国的工程师们在十九世纪初叶的研究工作，使单台机器的工匠生产方式得以过渡到
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化机器的大规模生产方式面来。工业要实现大规模的生产，要求制造精密而可以互换的标准化机器部件，问题的中心就是精密工程学。改进制造机器的机器，即发动机和工具机，也取决于工程技术的精确程度。十八世纪的纽可门蒸汽机仍然是工匠工艺水平的产物，比中古时代的水平好不了多少。在十八世纪六十年代，斯米顿曾注意到在他的一部蒸汽机中，28英寸口径的汽缸和其活塞之间有半英寸左右的间隙。为了弥补纽可门蒸汽机的这个缺点，在活塞顶部浇一层水来加以封闭。这个措施使机器多少能够工作，但却降低了机器的效率，因为水使汽缸变冷，造成了一部分蒸汽的浪费。詹姆士·瓦特在改进蒸汽机时，要求汽缸始终保持高热状态，因而不能用水封闭活塞。瓦特的发明一直到汽缸的精密造型法问世之后方才实现；──是约翰·威尔金森解决的，他在公元1774年取得了发明精密炮筒镗床的专利权。
威尔金森的炮筒镗床使得瓦特的改良蒸汽机能大量制造和出售。这种镗床原是为了制造大炮而设计的，这一事实说明精密工程学发展的另一推动力，是适应大量生产标准产品的需要。这种需要首先出现在军事方面，因为军事最需要大量标准化的武器和其他东西。十八世纪末，法国首先实现了用可以互换的同样部件来大量生产步枪。美国的第三任总统杰斐逊记载他在公元1857年记曾访问制造商勒布朗，在访问时他自己随手拿了几个零件就装成了几支枪。在英国，大规模生产及其所要求的精密工程比较起来是为了民用的需要，不过军事方面的刺激当然也存在。发明家和工程师约瑟夫·布拉默(Joseph Bramah，公元1748—1814)在公元1784年发明了倒转锁，在公元1795年发明了水压机。他为了大量生产这种锁，就面临着大规模生产的问题。起初他雇了许多工人用手工方式生产锁的部件，使用的工具都是传统的手工工具，即锤子、凿子、锉刀、锯子等。后来布拉默同他的助手亨利·莫兹利(Henry Maudsley，公元1771—1831)引进了机械工具来协助手工工具，这样就大大地提高了部件的生产率和精密度。这个发展在后来使莫兹利进一步考虑，是否能制造一般的工具机来生产各种不同类型的标准化机件。
一般说来，机器的各个部分总是具有圆形、方形或圆柱形等特殊几何形状或其组合形状的金属部件。一根真正精密的转轴应当是个完美的圆柱体，理想的螺丝应当是在这种圆柱体表面刻上一条完美的螺旋线。因此如何大量生产标准机件的问题，可以分成分别制造几种工具机的问题；这些工具机要能在金属上加工出真正的圆柱面或平面，并在金属部件上切削出圆孔或方孔。莫兹利在公元1794年到公元1810年间将旧式车床改造成一种精密的工具机，解决了制造精密圆柱体和螺丝的问题。在这以前，车床与其他多数机器一样，主要都是用木头做的，只有重要的运动部件才用金属做。在工作时，待加工的材料用踏板带着转动，切削的刀具是用手拿着的。莫兹利将车床全部改成铁的，这就解决了由于木头太易变形而使工作件的定中心和校直受到破坏的问题。此外，他又发明了滑动刀架，使刀具同车床的中心轴线的距离保持不变。后来他更将滑动刀架同机器的转动相耦合，使刀架能和中心轴线平行地作直线运动。这样一来，车床上转动的任何材料就能自动地加工成为一只精密的圆柱体。它的大小取决于工具的最初位置，而且只要装置好了，车床就能生产出任何数量的同样的圆柱体来。再利用带动刀架平行于车床中心轴线运动的耦合器具，就能在圆柱体上刻出螺纹，实现标准螺丝的大规模生产。这种发展同军事的关系，可以从下一事实看出来，即莫兹利获得的第一批大量订货是由海军部在公元1800年给他的，因为海军部正需要用机械来大量生产船用索具的标准滑车。
除了圆柱体和螺丝以外，平面部件或真正的平面也是少不了的，在改良以前，生产平面的方法是将一个铸件或者锻件的面用凿子修成大体上是平的，然后再用另一个已判定为是平的面来磨它。这种方法会带来极不精密的结果，因为即使两个面在所有点上都接触，这两个面也不一定就是平面。同布拉默和莫兹利在一起工作过的约翰·克莱门特(John Clement)部分地解决了这个问题。他在公元1825年发明了加工金属的刨床，使待修平的材料作直线运动，这时固定刀具就会作平行的刨削。但为了使这个机器及其产品标准化，也需要有一个具有真正平面的部件。这种标准平面由同克莱门特和莫兹利一起工作过的约瑟夫·惠特沃思(Joseph Whitworth，公元1803—1887)造了出来。惠特沃思认识到，两个在所有点上紧贴的面并不一定是平面，但要是有三个面能两两紧贴的话，那它们就一定是真正平坦的。同样三根杆件中的每一对如果在一张平面上能完全贴合的话，它们的横截面就一定具有真正的直角。利用这些真正的圆柱体和平面，惠特沃思在公元1830—1850年间制成了能测量出一英寸百万分之一误差的标准螺旋规以及其他的精密车床、刨床、钻床、磨床和牛头刨床，这使他在公元1851年的世界博览会上赢得了闻名全世界的声誉。
有了这些工具机之后，标准化的织布机、纺纱机、蒸汽机和其他的重要机器设备，就能大量生产，同时又因为这些机器的机件和构造都精密得多了，运转速度就能提高许多。十八世纪的纽可门蒸汽机每一分钟最多只能作二十个冲程，但十九世纪下半叶的蒸汽机则可以每分钟作二百五十个以上的冲程。机器的精密化和高速度使得一种新的材料占据了重要的地位，这就是纲。生铁太硬太脆，熟铁又太软，都不宜用来制造高速运动的部件。只有钢才具有符合需要的强度和韧性。人们早就能用鼓风炉直接生产大量的含碳很高的生铁。公元1784年亨利·科特(Henry Cort)发明了反射炉，将生铁中的碳在炉中几乎全部烧尽，这样就可以大量生产熟铁。但是一直要到公元1856年贝默(Bessmer)发明了转炉、西门子发明了平炉炼钢法时，才有可能大量生产含碳很低的钢。
钢和工具机两者使十九世纪下半叶的工程学发展具有新的特点，即出现了大规模生产的标准机器，它们是用精密加工的钢制部件构造的，并能以高速度运转。同时热力学又为蒸汽机的改良和其他热机的发展提供了理论基础。在发展蒸汽机的热力学方面作出杰出贡献的，是格拉斯哥大学的工程学教授威廉·兰金(William Rankine，公元1820—1872)，他在公元1859年发表了《蒸汽机和其他热机手册》。此外还有德国的佐伊纳(Zeuner)和法国的伊恩(Hirn)。这些人使热力学在工程师中得到普及，但并不能对蒸汽机作很多改良，热力学并没有在这个领域中带来多少帮助，因为蒸汽机还远远够不上是理想的热机，而且多数的理论性建议都已经在实践中达到了。理论表明高压和大膨胀可以提高蒸汽机的效率，但是理查德·特里维雪克(Richard Trevithick)早在公元1802年就造成了高压蒸汽机，而乔纳森·霍恩布洛尔(Jonathan Hornblower)甚至更早就发明了大膨胀蒸汽机。
然而热力学理论在其他地方却找到了用武之地。这门科学包括了所有热机理论，无论是正向作用还是反向作用都能描述。凯尔文在五十年代曾经指出，如果将机械能施加到一部热机上，使它的工作向反向进行，那就会使低温处的热抽到高温处去，这样它在低温处就成为致冷机，而在高温处成为暖气机。所以致冷机就是热力学的一个应用；用压缩氨原理的现代型主要致冷机是慕尼黑的卡尔·林德(Carl Linde)在公元1873年发明的。但热力学的主要应用还是在正向作用的热机发展方面，从热产生机械能，其中特别重要的是内燃机和蒸汽涡轮机。
第一部有些特殊化的内燃机就是用火药发火的传统大炮，其中机械能来自气缸内部产生的热量。而不象蒸汽机那样来自外部。克利斯提安·惠更斯和他的助手但尼斯·帕潘在十七世纪八十年代曾企图用炸药做燃料制造内燃机，但没有取得进展。实际上，直到煤气工业的发展提供了适当燃料，同时工具机、钢的生产和热力学发展之后，人们才能制造内燃机。公元1862年比奥·德·罗克斯(Beau de Rochas)继承早期法国工程师的分析传统，发表了一本小册子，在热力学的基础上提出一种理论上的操作循环，企图制造一部高效率的内燃机。这就是著名的四冲程循环理论，后来被德国人奥托(Otto)采用来制造煤气机，在公元1876年取得专利。戴姆勒(Daimler)在公元1883年制成了汽油机，普里斯曼(Priestman)在公元1885年发明了重油机，但重油机中所引起的问题要到十年后才由鲁道尔夫·迪色儿(Rudolph Diesel)真正解决。
同样，蒸汽涡轮机的力学原理也是人们早就知道的。在古代，亚历山大里亚的希罗就曾经根据这个原理制造玩具。在十八世纪末，博尔顿曾担心已作出设计的蒸汽涡轮机可能成为蒸汽机制造业的有力竞争者。但是他的同伙詹姆士·瓦特安慰他说：“除非有上帝能使东西以每秒一千英尺的速度运动，蒸汽涡轮机就不会对我们有什么害处。”可是由于具备了钢和精密工程学两项条件，法国的拉瓦尔(Laval)在公元1889年造了一部涡轮机，其转子的边缘速度超过每秒1500英尺。人们已经知道，蒸汽从涡轮到真空的直接膨胀，可以产生每秒4000英尺左右的速度，而要获得高效率，就必须使涡轮机转子的速度相当于这个数字的一半。这样的转子速度仍然比较危险，而且也难以应用。这使机器的用途非常有限。在拉瓦尔的涡轮机中，蒸汽以单级膨胀的方式通过单个转子，这是产生上述不合要求的速度的原因。英国的查尔斯·帕森斯爵士(Charles Parsons，公元1854—1931)在公元1884年获得了一种涡轮机的发明专利；在他的机器中，蒸汽经过一系列分级膨胀并通过几个转子，这样产生的速度就比较便于控制。拉瓦尔涡轮机的转速由每分钟10，000转提高到30，000转，帕森斯涡轮机的转速则可以低得多，从每分钟750转提高到18，000转。
比起蒸汽机来，蒸汽涡轮机更接近于完善的热机，因此在设计涡轮机时，热力学也就起了更密切的作用。蒸汽机的效率不高，是由于受到往复式运动的本身限制。蒸汽的膨胀使汽缸变冷，当新的蒸汽再次进入汽缸时，就不可避免地要耗费一部分热量使汽缸再热。涡轮机中的蒸汽则是不断地从这一级到下级连续膨胀，并同时逐渐冷下来。每一级都有其本身的温度，并使蒸汽通过来保持这个温度不变。这就避免了在蒸汽机中由于热度的周期性变化而引起的损耗。因此在涡轮机中，热力学理论能得到更好的应用。
与此同时，发电机正在发展；蒸汽涡轮机的重要用途之一就是带动发电机，因为两者的转轴速度很容易调整为同一个值。同涡轮机相比，发电机更是应用科学和产物；实际上电气工业的大多数设备都在一定阶段上依赖于相应的科学进步。伏打电池的发明促进了电镀的发展，其发明专利为科尼希斯贝尔格的卡尔·雅各比(Karl Jacobi)和柏林的维尔纳·西门子(Werner Siemens)于公元1839年获得。伏打在公元1799年发明的原始电池不太可靠，直到供给恒稳电流的电池出现后，电的早期重要应用才能实现。这种电池是伦敦皇家学院的约翰·丹尼尔(John Daniel)在公元1836年发明的。他的同事查理·惠斯通应用丹尼尔电池为电源，又用了斯特金(Sturgeon)在公元1825年发明的电磁铁作为
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器，在下一年制成了一个可供实用的电报机。
陆路电报并没有引起多少新问题，但在公元1850年铺设连接多佛和加来的第一条海底电缆时，发现信号畸变，速度也很慢。格拉斯哥的凯尔文研究了这个问题。他在公元1855年指出，陆路电报和水路电报所处的环境条件有一个重要差别，海水是导体，空气则是很有效的绝缘体，因此绝缘层包着的海底电缆就同海水组成了电容器，这使发送信号时电缆的一端充电慢，另一端放电也慢。凯尔文指出，如果在具有很高导电率和大截面的电缆中使用小电流，并且用厚的绝缘材料来保护电缆，就能够使信号的延滞降低到最小限度。要使用小信号电流就要求用灵敏的记录仪来检测它，因此凯尔文在公元1858年设计了镜式电流计，在公元1867年设计了自动虹吸印码器。在公元1858年铺设的第一条大西洋海底电缆，由于使用强信号电流，只发送了七百次电报后就毁坏了；在公元1866年铺设第二条电缆时就采纳了凯尔文的建议。
电的进一步应用在德国和美国有突出的发展。这两个国家在一定程度上绕过了作为早期工业革命特征的蒸汽机动力和煤气照明的使用。它们比英国更直接地采用电气照明和电力输送。特别是美国当时人中稀疏，毗邻村镇之间的距离较远，用电作为通信手段就显得格外重要。美国的电报出现于公元1838年，比英国只迟一年。发明者是肖像画家莫尔斯(Morse)。他设计了以他命名的电码来传送信号。肯塔基州的一位音乐教师戴维·休斯(David Hrghes)于公元1854年发明了自动信号记录器和收报机。在公元1876年，贝尔(Bell)和爱迪生发明的电话则完全是美国的产物。
德国发展发电机主要是为电镀工业提供动力，美国则是为了供给电气照明。虽然丹尼尔电池所供给的少量电力对于电报通讯已经够用，但对于大量消耗电的电镀工业则是不够的。法拉第在公元1831年证明，使线圈在磁场中运动就能产生电。在公元1840—1865年间，人们按照这个原理制造了好几种电磁发电机，主要供电镀用电。这类机器是用一个绝缘导线绕成的线圈在一个永久磁钢的磁场中旋转，它的效率很低，因为最好的磁钢也只能提供弱磁场。公元1866年柏林的西门子改用强有力的电磁铁代替磁钢，并用机器本身产生的一部分电向电磁铁提供所需要的能量。从此以后，所有发电机都以西门子电机为原型，使用由发电机本身产生的电流供电的电磁铁，效率比早期的电磁机高得多。这就为电气工程的进一步发展开辟了道路。
亨弗利·戴维曾经发现，在两根碳棒之间通过电流时会产生强光。从五十年代起，在灯塔、剧院和其他场所使用了大支光的碳弧灯照明，其电源起先由电磁机供给，后来则由发电机供给。戴维还发现，当电流通过细的白金丝时会发出光度较弱的光，而白金丝则在空气中一会儿就烧掉了。在公元1879年，英国的约瑟夫·斯万(Joseph Swan，公元1828—1914)和美国的托马斯·爱迪生(Thomas Edison，公元1847—1931)根据戴维的原理，同时但各自独立地发明了电灯，他们将一根碳丝放在抽去空气的玻璃球泡内，可以点燃很多小时。爱迪生发明了更多的附加设备，使电灯照明得到广泛使用，因而能够比斯万更好地利用电灯的发明。爱迪生在靠近纽约的门罗公园实验室设计了一种电压恒定的发电机，保证在线路中电灯亮度稳定，不受其他电灯开闭的影响；他还创造了经济配电的三线制。公元1882年他在纽约建立了第一个发电站，向公众供电，同时生产电气照明所需的电灯。
爱迪生在公元1883年注意到有些电灯泡在使用后逐渐变黑了。他想这是由于从灯丝上放出了某种粒子的缘故。他将一块金属板封在灯泡里，发现当电灯点亮时，金属板带负电荷，如果将正电位与板相连，就有电流通过，但用负电位相连时就没有这个效应。这就是爱迪生效应，它在后来引起了电子管的出现。电子管的发明主要是由弗莱明在公元1904年和李·德·福雷斯特(Lee de Forest)在公元1906年实现的。在本世纪，电子管使得为麦克斯韦的预见和为赫兹发现的电磁波获得应用，先是用在无线电广播和电视上，最近又用于远距离客体进行无线电定位上。最后电子管还促进了许多复杂电子装置的发展，其中特别突出的是电子计算机。电子计算机具有人脑的某些属性，例如记忆、初等判断能力和计算能力。有人认为，在工业中采用电子计算机代替人来做那些要求比较简单判断动作的事，会引起一场第二次工业革命，使人类从比较机械和重复的脑力活动中解放出来。
第41章、化学与微生物学的应用
化学科学过去主要应用于发展化学工业，而微生物则用于改进农业和医学的一些较老的实践。在所有这些领域中的进步，开头大部分是依靠经验，而且后来仍然如此，特别是在农业和医学上，依靠经验的程度远比机械工程及电力工程要大得多。土地革命的技术改革，特别是杰塞罗·托尔(Jethro Tull，公元1674—1741)所采用的新的农业机械和汤森德勋爵(Lord Townshend，公元1674—1738)所施行的农作物轮种的四作制，以及罗伯特·贝克韦尔(Robert Bakewell，公元1725—1795)的改良家畜饲养，都是完全不依赖当时所知道的科学知识。公共卫生措施也不以“各大镇状况调查委员会”所确定的污秽同传染病之间的联系为根据(这个委员会于公元1844年发表了它的调查结果)。同样，化学工业的早期的发展主要是一种反复试验的发明过程。
一直到十八世纪，主要的专门从事化学商品生产的是药商和明矾商，药商小规模地制造供应医药化合物品，明矾商则比较大规模地制造明矾供应皮革、纸张及织物的处理和着色之用。化学商业同纺织工业之间传统的关系，在工业革命期间得到了进一步的发展，这时候开始有了化学品的大规模制造。十八世纪期间，象凯(Kay)、哈格里夫斯(Hargreaves)、克朗普顿(Grompton)、阿克赖特(Arkwright)等人所采用的新纺纱机和新织布机使纺织品的产量以巨大幅度增加，从而使布匹的化学漂白以及后来的染色问题突出起来。纺织品漂白的传统办法是把纺织品轮流浸在酸牛奶的酸性溶液以及草木灰的碱性溶液中，然后放在“漂白场”上晒，这一过程占去一年中全部的夏季时间。首先感到缺乏的是天然酸即酸牛奶供应不足，因此人们就试用工业酸来漂白，其中以硫酸最容易得到。硫酸在过去一直就由药剂师在小量地制备着，公元1736年建立第一个商业上大规模制造硫酸工厂的，就是伦敦的一个药剂师乔舒亚·沃德(Joshua Ward)，他在一个盛着少许水的大玻璃球瓶里把硫磺同一些硝石放在一起煅烧。一个伯明翰的医生约翰·罗巴克于公元1746年用铅室代替了又脆又贵的玻璃球，这一革新连同沃德的革新使得硫酸的价格从每磅两金镑跌到每磅六便士。
其次是天然碱的不足，这在英国有相当长的时间并不感觉到，因为苏打是由焚烧海藻大量制造的，而这各海藻在沿海一带，特别在北方都很多。在法国，天然碱的不足比较严重，所以巴黎科学院于公元1775年悬赏12，000法郎的奖金，征求从食盐制造苏打的方法。这种方法于公元1789年为尼古拉·路布兰(Nicolas Leblanc，公元1742—1806)发明，他是奥尔良公爵的医生。路布兰从食盐和硫酸里得到硫酸钠，又用木炭、石灰石和硫酸钠加热而获得苏打和硫化钙。另一个法国化学家拜特洛，是当时国家染料工业的管理人，发现席勒于公元1774年发现的氯气能迅速漂白棉织品。大约在公元1786年他这个发现通知了詹姆斯·瓦特，瓦特转告他的与格拉斯哥纺织业有关系的岳父。在格拉斯哥对这种方法进行了大规模的试验，发现用氯气漂白只需要以小时计算，而过去则要花费许多星期。使用有毒的氯气开头是相当危险的，但是格拉斯哥的约翰·坦能脱(John Tennant)在公元1799年将氯气同石灰化合得到一种较为安全而便利得多的试剂，这就是熟知的漂白粉。
在法国大革命期间，法国的政府要求法国化学家尽可能地研究并改进当时的几个化学工业。克莱门特和德索美(Desormes)研究了硫酸制造过程中发生的反应，于公元1806年发现把硝石加在燃烧着硫磺的铅室里会产生一种氧化亚氮的气体，从而大大加速了硫酸制造过程。氧化亚氮与空气中氧化合，产生二氧化氮，二氧化氮把它额外的氧给予由于硫磺的燃烧而形成的二氧化硫，这样产生的三氧化硫与水化合，便成为硫酸。克莱门特和德索美的研究减少了硝石的消耗量，使硫酸制造更经济了。燃烧的硫磺不加硅石而是分别地加酸处理以直接产生气体氧化亚氮。后来在公元1827年，盖—吕萨克证明氧化亚氮可以从铅室过程的废气中，通过浓硫酸液的吸收而回收。但是盖—吕萨克的研究并没有立即加以应用，直到公元1860年人们才找到从硫酸溶液再产生氧化亚氮的方法。在那一年，英国的造酸业主格洛弗(Glover)把燃烧硫磺(或者当时用的是黄铁矿)发出的热气体，通过含有氧化亚氮的酸，使硫酸增浓，并去掉氧化亚氮以供铅室的下一步使用。同样法国的工程师菲涅耳在公元1810年发明了一种制造苏打的方法，只用石灰石和普通食盐作为开始原料，而以氨作为中间体，但是由于一些实际困难，他的发现一直到比利时的索尔维(Solvay)兄弟在公元1865年建立了一个苏打工厂时才被采用。
法国的科学家还研究了植物生长的化学，不过他们的研究同样未能立即得到应用。德·索修尔(De Saussure，公元1767—1845)于公元1804年证明在封闭容器中生长的植物，从容器中混合气体的二氧化碳里取得其全部的碳含量，从而推翻了认为植物从所谓污泥腐植土中汲取其物质的陈旧学说。他也发见生长在清水中的植物象其种子烧掉时一样，产生同量的无机灰，这表明植物的无机物质既不产生也不消灭。公元1817年佩利蒂尔(Pelletier)和卡文多(Caventou)分离出植物的叶绿素，杜特罗歇(Dutrochet)于公元1837年证明二氧化碳仅为植物含有叶绿素的部分所吸收，并且只有这部分暴露在日光中时才会吸收。就这样发现了二氧化碳的自然循环：植物在日光中从空气中的二氧化碳组成它们的物质，而动物在食用植物之后，再吐出二氧化碳。布森戈(Boussingault，公元1802—1887)于公元1841年证明各种农作物所含的碳、氢、氧、氮数量总是比加给农作物的肥料所含的碳、氢、氧、氮数量为大，而无机盐的量则总要小些。他还进一步发见，良好的作物轮作之所以优越，是由于某些植物如苜和豌豆的含氮量，大大超过肥料所供给的氮量的缘故。
法国人的研究成果被人们应用到农业上去，特别是德国化学家李比希，他是法国多种工艺学院毕业的。李比希论证说，既然植物如德·索修尔证明的那样不能产生无机盐，它们一定是从土壤取得其无机的组成物质的，所以如果要保持土壤肥沃就必须把植物取去的还给土壤。他用化学方法分析了植物灰的无机物含量，并制造出与植物灰成分相同的人造化学肥料，主要是钾盐和磷酸盐。但是他的专利肥料并不成功，因为里面不含氮化合物，李比希相信植物全都是从空气中获得氮的。不过他在农业化学方面引起了人们巨大的兴趣，他的《化学及其在农业和生理学上的应用》的讲演，在公元1837年英国科学促进协会的利物浦大会上很受欢迎。
李比希于公元1842年重访英国，这一次他见到皮尔首相同好几个大地主，建议建立一所化学学院。维多利亚女王的御医詹姆斯·克拉克爵士为学院基金募集捐款，于公元1845年建立了皇家化学学院，以女王的丈夫任院长。李比希被邀请推荐一位化学学院的教授，他派了自己的一个相当能干的学生奥古斯特·冯·霍夫曼(August von Hofffmann)前往英国。霍夫曼的化学研究工作从一开始就偏向工业方面而不是农业方面，因为他调查了煤气工业的化学，起初是所产生气体的无机方面，然后是煤焦油成分的有机方面。皇家化学学院虽然进行了一些重要的化学研究，但大地主们对于这个学院的兴趣迅速下降，因为它的工作对他们很少有用，这个学院只是在公元1853年和皇家矿业学院合并后，才免遭解散。
一个大地主约翰·劳斯爵士(Sir John Lawes，公元1814—1900)同李比希的学生约瑟夫·吉尔伯特(Joseph Gilbert)一起，在他自己的洛沙姆斯太特产业所在地进行了农业化学的研究。他们共同考查了人造肥料在农业上的使用，于公元1855年左右发现了许多农业化学的基本事实。同李比希的见解相反，他们证明植物一般并不需要象植物灰里发现的同样比例的无机盐才能适宜地生长，而且大多数植物都需要含有氮化合物的肥料，如铵盐或硝酸盐，而只有豆科植物如豌豆和苜蓿可以不靠氮肥而发育茂盛。他们还进一步发现，如果让田地休息，土壤的含氮量便会逐渐增加，但只要在使用人造肥料的情况下继续耕作，地力不会受到损害。吉尔伯特和劳斯的研究引起了人们对自然经济中氮的独特地位的注意，即有些植物需要氮化合物，而其他的植物和泥土本身看来却能自己制造氮。这些事实由于微生物学的发展而得到阐明，过去没有弄清楚的自然界中氮循环的各个阶段终于揭露出来了。
微生物学的奠基人是路易·巴斯德，他先是斯特拉斯堡大学的化学教授而后来是巴黎大学教授。巴斯德最初研究酿酒工业，他考察一件人们久已知道的事实，即同一汁料的两个样品发酵后有时会产生两种不同的酒。他用显微镜证明发酵的酒液里存在着很小的酵母生物，并且发现不同种类的酵母产生不同的酒。公元1863年他发见酒的变酸是由于一种微生物所致，并且证明将酒加热到55℃便可把微生物杀死。第二年，法国农业部要求他去研究丝蚕病。在几个月内，他分离出两种使丝蚕致病的微生物，并且表明怎样去识别无病的蚕卵、蚕和蚕蛾，以便将它们分离出来从事繁殖。十年之后，他研究了牲口的炭疽热和鸡的霍乱病，最后于八十年代又研究了影响人类的某些疾病。
在巴斯德本人研究人类疾病问题的若干年前，他的研究工作的医学意义已经为英国的教友会外科医师李斯特勋爵(Lord Lister，公元1827—1912)所赏识。化学已经为外科医生提供了麻醉药，也减少了外科手术引起的痛苦，但并未减少手术后很高死亡率。亨弗利·戴维于公元1799年已经发现氧化二氮即所谓笑气，能引起动物迷醉然后丧失知觉。他建议氧化二氮不妨用于外科手术使病人失去知觉，这个提议于公元1844年第一次被霍勒斯·韦尔斯(Horace Wills)在美国采用，利用这个气体的麻醉性进行齿科手术。韦尔斯的一个朋友威廉·莫顿(William Morton)发现乙醚是一种更好的麻醉药，并于公元1846年证明可以用在大手术上。第二年，爱丁堡大学的詹姆斯·辛普森爵士(Sir James Simpson)发现氯仿对某些病例特别是对分娩是一种优良的麻醉药。
但是外科病人得救复原的人数仍然很少，原因是外科手术过程中往往发生感染。李斯特在公元1864年作的统计表明，他的病人有百分之四十五于手术后死亡，当时其他的外科医生则在每五个病例中只有一个成功的记录。巴斯德关于发酵与发生腐烂的研究，使李斯特想到手术创伤的腐败是微生物引起的一种腐烂现象。他寻找杀死微生物的化学方法，在试验几种化合物之后，他发见从煤焦油提取的一种物质酚能起良好的防腐剂作用。李斯特用酸水溶液喷射了他的手术室和病人的创伤，发现手术后的败血症经这一来大为减少。他于公元1865年成功地进行了第一次用新防腐法的手术，到公元1868年时由他施行手术的病人的死亡率从百分之四十五下降到百分之十五。
同微生物在外科手术中应用相对应的，它在医学上的应用是由德国的罗伯特·柯赫(Robert Koch，公元1843—1910)和巴斯德本人在法国进行的。柯赫于公元1876年发现使牲口产生炭疽病的微生物，可以在牛体之外的肉汤冻培养体中生长。他用这些方法于公元1882年发现肺结核的杆菌，并在下一年分离出霍乱病菌。巴斯德重复并扩展了柯赫的工作。他发现有些细菌在动物体外培养会变得无活性，鸡瘟的培养剂经过相当长的时间后，注射在小鸡体内并不发生疾病。还有，同一的小鸡后来再用有毒的鸡霍乱菌注射在体内时，仍然保持健康状态，表明无活性微生物使动物对正常活性的细菌产生免疫性。巴斯德于公元1881年制造出一种无活性炭疽菌能使牲口抵抗活性的炭疽菌，确立了预防接种原理的另一个病例。
在细菌致病学说出现很久以前，预防接种普遍原理的一个特殊事例已是众所周知了。谨慎地使儿童传染上适度的天花以避免传染上致命的天花，自从玛丽·霍尔特莱·蒙塔古夫人于十八世纪二十年代里从中东把这个方法带回来以后，一直都为人们采用着。后来格洛斯特郡的一个乡村医生爱德华·琴纳(Edward Jenner)于公元1798年证明一种轻得多的疾病──牛痘，能使人对天花免疫，这是他从观察到挤牛奶的妇女很少患天花而发现的。现在，在十九世纪八十年代，接种的做法已经普遍化了，这就为细菌致病的学说找到了合理的依据。人们设想细菌产生化学毒或毒素，它对于疾病的症候来说是起主要作用的，而身体的防御机制则能产生抗毒素以抵抗细菌及其毒素的影响。因此看来注入体内的死菌应当产生这种疾病的缓和症状，并刺激抗毒素的产生，从而抵抗未来的感染。后来发现事实确是如此，并且进一步发现一个动物体所产生的抗毒素，在另外一只动物体内也能有效地抵抗其相应的细菌。
在农业上，微生物的发现有助于澄清自然界中氮的循环问题。劳斯在洛沙姆斯太特的一个助手沃林顿(Warrington)于公元1878年证明泥土中的微生物使含有铵化合物的氮肥最初转变为亚硝酸盐，然后又变为硝酸盐。他发现用氯仿可杀死微生物，而在这种情况下，即使对植物供给许多铵化合物形式的氮，植物也不能生长，这表明植物只能吸收硝酸盐形式的氮。公元1885年法国化学家拜特洛发现了一些其他类型的微生物，能直接利用大气中的氮使它转变为氨。这些微生物有的自由生活在泥土中，有的在豆科植物的根瘤里才找得到。如果后一类微生物被杀死，通常同它有关的植物便长不出根瘤，这就需要施加氮肥。豆科植物有了这些微生物就不依赖氮肥，根瘤的微生物能使大气中的氮转化为氨，再由其他泥土微生物把氨变为硝酸盐。有的土壤如加拿大和美国的处女地，缺乏某种硝化作用的微生物，在这些地方依靠豆科植物轮作结果失败了。但是到十九世纪末，同苜蓿、豌豆及其他豆科植物有关的固氮作用的微生物通常都可以得到了，于是把这些微生物接种到荒芜土壤中去，农作物的轮作就成为可能。
农业化学的应用促进了人造肥料工业的成长。早在公元1839年人们为了农业的用途就从秘鲁输入海鸟粪，即脱水鸟粪和海鸟的尸体。约翰·劳斯爵士于公元1843年在德普特福建立了一个制造过碳酸钙化肥工厂，将不溶性的磷酸盐加硫酸处理使之较易溶解。他最初利用动物的骨头作为磷酸盐的来源，然后从公元1847年起采用了塞福尔克、贝德福郡和其他地方发见的磷酸盐矿的沉积物。从公元1815年左右起，人们就用硫酸去掉煤气中的氨，因为氨是一种可厌的杂质，但这样获得的硫酸铵在公元1850年以后就被广泛地用作人造肥料。智利的硝酸盐沉积物以及德国斯特拉斯福特的硫酸钾沉积物于公元1852年起开采，粗盐被直接用作肥料，这样便完成了化肥发展的第一阶段。
伦敦皇家化学学院原是由大地主们创办的，他们希望化学研究会改良他们的土地产量，但是学院的研究成果对农业化学并无多大重要性，相反却导致了精细化学工业的建立。学院的霍夫曼教授象他的老师李比希一样，对于化学的应用，特别是医学方面的应用，十分关心，而且希望天然药物可以用人工制造出来。霍夫曼设想奎宁可能从煤焦油的衍生物中制造出来，公元1856年，他的一个学生威廉·珀金(William Pekin，公元1838—1907)试图通过氧化某些他当时恰巧在研究的苯胺衍生物的办法来制造奎宁。他没有得到奎宁，但却造出一种紫红的物质，后来证明是一种极好的染料。当时的有机化学家还没有发展分子结构的学说，也不了解有机化合物及其反应的性质。因此那些在今天看来是野心尝试的合成方法，也不乏人去搞，象珀金冒险制造的奎宁就是一例；其实奎宁直到公元1945年才实现了人工合成。
在珀金看来，他的发现具有重要的工业上的意义；他虽然不过是一个十八岁的青年，却建立了一所工厂，大量制造这种染料，从而奠定了一个精细化学工业基础。在法国，珀金的研究由吉拉德(Girard)和德莱尔(de Laire)加以扩展，他们用不同的氧化剂处理苯胺衍生物而制造出另一种染料，品红。他们又用更多的苯胺处理品红而得到了一整套叫做苯胺蓝的染料。霍夫曼在伦敦进一步研究了珀金和两个法国化学家制备的化合物，于公元1863年造出了另外一套叫做霍夫曼紫的染料来。两年后，霍夫曼离开皇家化学学院就任柏林大学有机化学教授，与此同时，在曼彻斯特一个化学工厂里工作的德国化学家罗卡(Caro)回到德国，担任一个新建的巴特苏打和苯胺化工厂的技术指导。从此以后，德国人在化学和化学工业，特别是精细化学工业方面的地位愈来愈突出。霍夫曼协助设计的波恩和柏林大学的巨大新实验室，于公元1869年建成，这些地方培养出来的许多化学家加强了德国的科学和工业力量。
十九世纪采用的两种较为重要的天然染料是从茜草提取的茜素和从木兰提取的靛蓝。到了十九世纪末，德国人把这两种染料都人工合成了，并且大量地生产。科学方面的一个重要人物是阿道尔夫·冯·拜耳(Adolf von Baeyer，公元1835—1917)，他在公元1860年任柏林大学化学副教授。他和他的两个学生，格莱勃(Graebe)和李贝曼(Liebermann)于公元1866年证明茜素是煤焦油的一个普通成分蒽的微生物，而且不久以后，就在实验室内合成了茜素。他们的方法还不适用于大规模制造茜素，但是到了公元1869年格莱勃和李贝曼协同巴特苏打和苯胺化工厂的卡罗发展了另一个在商业上可以采用的方法。同年，珀金在英国发现了两种不同的制造茜素方法，但是德国人的工业力量雄厚，到了珀金辞退的那一年即1873年，巴特苏打和苯胺化工厂的茜素年产量达到一千吨，相形之下，珀金那里只生产四百三十五吨。最后拜耳(他现在继李比希任慕尼黑大学化学教授)于公元1878年合成了靛蓝，不过这里同样发生了技术上的困难，而这种染料直至公元1897年前还未能大规模地生产。到了这时候，德国人已经远远跑在前头，在公元1886—1900年期间，六所最大的德国化学公司一共取得了九百四十八项染料专利，而六所最大的英国化学公司只取得八十六项专利。
德国人仅仅在精细化学工业方面是卓越的，在这方面有机化学的发展和应用从一开始就是少不了的。英国的化学工业家对化学研究在发展商业上的重要性的了解是缓慢的，因此在精细化学工业方面他们落后了，但是他们在重化学品方面仍然保持着自己的地位，对这一方面的继续研究，直至本世纪才显得有必要。例如，公元1909年英国用的百分之九十的染料是德国制造的，但是英国的化学品出口，主要是重化学品，却超出了化学品进口644，000英镑。十九世纪中，重化学工业所采取的重要技术革新，实际上主要都是英国化学制造业主作出的。我们在上面已经看到，造酸厂主格洛弗于公元1860年把盖—吕萨克建议的方法付諸实施，使制造硫酸的铅室过程中用掉的氧化亚氮得以回收。
在法国发明的路布兰苏打生产法，当英国政府于公元1823年取消食盐税时便被采用了，以后这个方法又有了很大的改革。这个方法产生了两种重要的副产品，即氯化氢和硫化钙，与改进有关系的便是这些物质。斯托克—普莱亚地方的一个造碱业主威廉·戈赛奇(William Gossage)于公元1835年发明了把氯化氢吸收在水里的塔；当公元1863年禁止将氯化氢气释放到大气中的“碱法令”通过以后，这个方法便得到广泛采用。亨利·迪肯(Henry Deacon)，圣海伦斯的一个玻璃厂经理，于公元1868年发明了从苏打工厂的氯化氢废气中生产的方法。氯化氢和空气通过加热的金属氧化物以产生氯和水蒸汽，然后用氯来制造漂白粉。在同年，化学家沃尔特·韦尔登(Walter Weldom)改进了从二氧化锰和盐酸制造氯的方法，用石灰和空气流再生二氧化锰。最后，奥尔德伯利的一个造碱厂主亚历山大·钱斯(Alexander Chance)于公元1887年发展了从苏打工厂的硫化钙废料中回收硫的方法。他使烟管中含有二氧化碳的气体通过硫化钙的悬浮液从而释放出硫化氢，硫化氢又同空气一起通过加热的金属氧化物以产生硫。
这些发展使得制造苏打的路布兰生产法合理而有效。与此同时，菲涅尔于公元1810年研究出来的另一种苏打制造法，于公元1865年也为比利时索尔维兄弟付诸实施。这个被称为索尔维法的苏打制造法生产一种比路布兰法更纯更便宜的产品，而且于公元1873年为英国的布鲁纳和孟德工厂采用了。布鲁纳和孟德工厂迅速领先，英国的其他四十个碱业工厂于公元1890年成立了联合碱公司。值得注意的是，制碱企业的重要人物布鲁纳和孟德，在英国是最早资助科学研究的著名化学工业家。布鲁纳于九十年代给利物浦大学捐款，而孟德则在公元1896年赠送了一座戴维—法拉第实验室给皇家学会。在化学工业一开始就具有较大规模的德国，企业家资助科学研究工作要早得多。
将近十九世纪末，德国化学家开始把新方法介绍到重化学工业中去，特别是应用新的物理化学来指明进行某一化学反应的最适宜条件。一种代替铅室法的叫做接触法的制造硫酸过程发展出来了，这个方法将二氧化硫和大气中的氧直接借一种催化剂如铂的作用而化合。接触法比铅室法生产浓缩得多的酸，特别是在公元1897年后制造靛蓝需要浓缩酸时，接触法就有了显著的发展。德国化学家所面临的一个更加重要的问题，乃是为了生产肥料和炸药而制造氮化合物的问题，因为德国的硝酸盐和铵化合物的供应大部分依赖进口，一旦碰到交战状态，供应便将中断。弗里兹·哈柏(Fritz Haber)采用物理化学方法研究氢和氮直接化合为氨，发现高压与适当的温度有利于产生这种反应。与此同时，奥斯特瓦尔德研究了氨转化为氮的氧化物，然后再转化为硝酸。这项研究工作于公元1912年完成并被巴特苏打和苯胺化工厂在工业规模上应用，在第一次世界大战期间为德国提供了充足的肥料与炸药。
应用这些物理化学方法来确定化学反应的最适宜条件，在本世纪已成为工业措施的一个特点。化学工业现在已有了许多分支。自从公元1862年瑞典的诺贝尔(Nobel)发明硝化甘油、达纳炸药和葛里炸药以后，炸药工业出现了一个转折点。从公元1883年起，约瑟夫·斯万用挤出法造出硝化纤维丝后，人造纤维丝就开始有了，这一过程被法国的化学家恰唐耐(Chardonnet)在商业上采用了。第一种热固性塑料、酚醛塑料(电木)是由哥伦比亚大学的李奥·贝克兰(Leo Bakeland)于公元1872年制出的，而第一种重要的热塑性物质赛珞璐是于公元1865年由伯明翰的亚历山大·帕克斯(Alexander Parkes)发明的。自从第一次世界大战结束后，德国人在寻找代用品时逐渐发展了一种可供使用的合成橡胶，费歇尔(Fischer)和特洛普希(Tropsch)在公元1925年从水煤气中制成一种代用汽油，而伯戈斯(Bergius)则于公元1935年使煤氢化，造出了另一种发动机燃料。在精细化学工业里，本世纪人们的注意力已经从染料转向药物和香料了。合成第一个染料的威廉·珀金是第一个造出一种叫做香豆素的天然香料的化学家，他是于公元1868年从煤焦油衍生物中制得的。药物的合成也和染料制造联系起来了。人们发现某些染料在作用上具有高度的选择性，如使羊毛染色但不使棉布染色，而且染在有机组织上时，会使某些部分染色而其他部分不染色。化学治疗学的奠基人欧立希(Ehrlich，公元1854—1915)认为既然有机染料被某些机体细胞吸收而不被其他细胞吸收，那末应能造出为寄生性微生物所摄取而不被感染体所摄取的有毒化合物。这样便会把微生物杀死而使被微生物引起疾病的病人痊愈。欧立希制备并试验了许多化合物，成功地发明了杀伐散(即606)药，在治疗梅毒、印度痘及其他螺旋体菌感染的疾病具有特效。德国染料工业的化学家后来又制成帕马奎宁(公元1926)和疟涤平(公元1930年)，这些都对疟疾寄生虫有毒性，公元1935年又造出一种红色染料百浪多息，这是第一种磺胺类药物。现在医学上具有相当重要性的又一条化学研究途径，是合成自然界存在着的生物活性化合物，例如维生素、激素以及由活的有机体所产生的天然抗菌素如青霉素等等。
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