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雪是怎么形成的雪是怎样形成的
作者：小巴布 日期：
雪是怎样形成的 br/br/我们都知道,云是由许多小水滴和小冰晶组成的，雨滴和雪花是由这些小水滴和小冰晶增长变大而成的。那么，雪是怎么形成的呢? br/br/在水云中，云滴都是小水滴。它们主要是靠继续凝结和互相碰撞并合而增大成为雨滴的。 br/br/冰云是由微小的冰晶组成的。这些小冰晶在相互碰撞时，冰晶表面会增热而有些融化，并且会互相沾合又重新冻结起来。这样重复多次，冰晶便增大了。另外，在云内也有水汽，所以冰晶也能靠凝华继续增长。但是，冰云一般都很高，而且也不厚，在那里水汽不多，凝华增长很慢，相互碰撞的机会也不多，所以不能增长到很大而形成降水。即使引起了降水，也往往在下降途中被蒸发掉，很少能落到地面。 br/br/最有利于云滴增长的是混合云。混合云是由小冰晶和过冷却水滴共同组成的。当一团空气对于冰晶说来已经达到饱和的时候，对于水滴说来却还没有达到饱和。这时云中的水汽向冰晶表面上凝华，而过冷却水滴却在蒸发，这时就产生了冰晶从过冷却水滴上"吸附"水汽的现象。在这种情况下，冰晶增长得很快。另外，过冷却水是很不稳定的。一碰它，它就要冻结起来。所以，在混合云里，当过冷却水滴和冰晶相碰撞的时候，就会冻结沾附在冰晶表面上，使它迅速增大。当小冰晶增大到能够克服空气的阻力和浮力时，便落到地面，这就是雪花。 br/br/在初春和秋末，靠近地面的空气在0℃以上，但是这层空气不厚，温度也不很高，会使雪花没有来得及完全融化就落到了地面。这叫做降"湿雪"，或"雨雪并降"。这种现象在气象学里叫“雨夹雪”。雪是怎么形成的我们都知道,云是由许多小水滴和小冰晶组成的，雨滴和雪花是由这些小水滴和小冰晶增长变大而成的。那么，雪是怎么形成的呢?
　　在水云中，云滴都是小水滴。它们主要是靠继续凝结和互相碰撞并合而增大成为雨滴的。
　　冰云是由微小的冰晶组成的。这些小冰晶在相互碰撞时，冰晶表面会增热而有些融化，并且会互相沾合又重新冻结起来。这样重复多次，冰晶便增大了。另外，在云内也有水汽，所以冰晶也能靠凝华继续增长。但是，冰云一般都很高，而且也不厚，在那里水汽不多，凝华增长很慢，相互碰撞的机会也不多，所以不能增长到很大而形成降水。即使引起了降水，也往往在下降途中被蒸发掉，很少能落到地面。
　　最有利于云滴增长的是混合云。混合云是由小冰晶和过冷却水滴共同组成的。当一团空气对于冰晶说来已经达到饱和的时候，对于水滴说来却还没有达到饱和。这时云中的水汽向冰晶表面上凝华，而过冷却水滴却在蒸发，这时就产生了冰晶从过冷却水滴上"吸附"水汽的现象。在这种情况下，冰晶增长得很快。另外，过冷却水是很不稳定的。一碰它，它就要冻结起来。所以，在混合云里，当过冷却水滴和冰晶相碰撞的时候，就会冻结沾附在冰晶表面上，使它迅速增大。当小冰晶增大到能够克服空气的阻力和浮力时，便落到地面，这就是雪花。
　　在初春和秋末，靠近地面的空气在0℃以上，但是这层空气不厚，温度也不很高，会使雪花没有来得及完全融化就落到了地面。这叫做降"湿雪"，或"雨雪并降"。这种现象在气象学里叫“雨夹雪”。雪的形成是由于高空中的水汽受强冷空气作用，使得水汽迅速凝结成冰晶，再围绕凝结核形成雪花，降落到低于0度的地面形成的。雪的形成过程谢谢雪形成雪是人民最常见的固态降水现象。它是从云中降落的具有六角形白色结晶的固态降水物。它常发生在冬半年，是我国北方冬季主要降水。
雪的种类 雪，是白色不透明的六出分枝的星状，六角形片状或柱状结晶的固态降水。降水强度变化较缓慢。在不同太冷的天气里，常成团(似棉絮状)降落。通常根据能距离和降水强度可将雪分为小雪、中雪和大雪。我国气象上规定，下雪时，水平能见距离在1000米或以上、24小时内雪量小于或等于25毫米的为小雪。水平能见距离在500_1000米之间、24小时内雪量为25_50毫米的为中雪。水平能见距离小于500米、24小时内雪量大于5毫米的为大雪。
阵雪，指降雪时间短促、强度变化很大、开始和终止都较突然的雪。雪的成因 雪主要产生于温度在0℃以下的云中，其形成过程与雨相似。但是，自云底至地面的空气温度需在0℃或以下。雪与天气 雪的产生与大范围的冷暖空气的交缓有关。当冷暖空气势均力敌，且空气温度较大时，往往形成雨夹雪。这样，降雪时间较长，就有“雨夹雪，落勿歇”等说法。当冷空气势力较强，地面气温下降到0℃或以下时，往往形成冷空气势力较强，地下气温下降到0℃或以下时，往往形成雪。此时，暖空气被近南撤，天气转晴，就明“落雪见晴天”等说法。当冷空气势和很强，一般雪下得较大，暖空气迅速南撤，天气很快转情，并且持续时间长，就有“大落大晴，小落小晴”的说法。
此外，降冬季节田野上气温很低，天气很干，不利于作物越冬，下雪则能使作用在0℃附近的适且环境中生活，且使田中墒情好转，来年定能获得好收成。初春时节，正值越冬作物返青，下雪会冻伤作物，影响收成。因此，就有“冬季雪满天，来岁是丰年”、“冬雪是个宝，春雪是把刀”等说法
雪花是一种美丽的结晶体，它在飘落过程中成团攀联在一起，就形成雪片。单个雪花的大小通常在005――46毫米之间。雪花很轻，单个重量只有02――05克。无论雪花怎样轻小，怎样奇妙万千，它的结晶体都是有规律的六角形，所以古人有「草木之花多五出，度雪花六出」的说法。雪花多么美丽而轻盈呀！我越来越喜欢雪花了，如果能够再次目睹大地白雪皑皑，绿树披银装，真是一件赏心悦目的趣事。
「瑞雪兆丰年」是我国广为流传的农谚。在北方，一层厚厚而疏松的积雪，像给小麦盖了一床御寒的棉被。雪中所寒的氮素，易被农作物吸收利用。雪水温度低，能冻死地表层越冬的害虫，也给农业生产带来好处。所以又有一句农谚「冬天麦盖三层被，来年枕著馒头睡。」
雪的作用很广，但雪对人类有很大的好处。首先是有利於农作物的生长发育。因雪的导热本领很差，土壤表面盖上一层雪被，可以减少土壤热量的外传，阻挡雪面上寒气的侵入，所以，受雪保护的庄稼可安全越冬。积雪还能为农作物储蓄水分。此外，雪还能增强土壤肥力。据测定，每1升雪水里，约含氮化物75克。雪水渗入土壤，就等於施了一次氮肥。用雪水喂养家畜家禽、灌溉庄稼都可收到明显的效益。
雪对人有利也有害处，在三四月份的仲春季节，如突然因寒潮侵袭而下了大雪。就会造成冻寒。所以农谚说：「腊雪是宝，春雪不好。」
雪对人体健康的作用
《医药养生保健报》 冬季，大雪纷飞，苍茫无际。人们在观赏玉树琼花之时，往往忽视了雪的作用。雪对人体健康有很多好处。《本草纲目》早有记载，雪水能解毒，治瘟疫。民间有用雪水治疗火烫伤、冻伤的单方。
经常用雪水洗澡，不仅能增强皮肤与身体的抵抗力，减小疾病，而且能促进血液循环，增强体质。如果长期饮用洁净的雪水，可益寿延年。这是那些深山老林中长寿老人长寿的」秘诀」之一。
雪为什么有如此奇特的功能呢？因为雪水中所含的重水比普通水中重水的数量要少1／4。重水能严重地抑制生物的生命过程。有人作过试验，鱼类在含重水30－50％的水中很快就会死亡。雨雪形成最基本的条件是大气中要有「凝结核」存在，而大气中的尘埃、煤粒、矿物质等固体杂质则是最理想的凝结核。如果空气中水汽、温度等气像要素达到一定条件时，水汽就会在这些凝结核周围凝结成雪花。所以，雪花能大量清洗空气中的污染物质。故每当一次大雪过后空气就显得格外清新。
据测定，一般新雪的密度每立方厘米为005_010克。所以，地面积雪对音波的反射率极低，能吸收大量音波，能为减少噪音作出贡献。
雪的保温作用
积雪，好像一条奇妙的地毯，铺盖在大地上，使地面温度不致因冬季的严寒而降得太低。积雪的这种保温作用，是和它本身的特性分不开的。
我们都知道，冬天穿棉袄很暖和，穿棉袄为什么暖和呢？这是因为棉花的孔隙度很高，棉花孔隙里充填著许多空气，空气的导热性能很差，这层空气阻止了人体的热量向外扩散。覆盖在地球胸膛上的积雪很像棉花，雪花之间的孔隙度很高，就是钻进积雪孔隙里的这层空气，保护了地面温度不会降得很低。当然，积雪的保温功能是随著它的密度而随时在变化著的。这很像穿著新棉袄特别暖和，旧棉袄就不太暖和的情况一样。新雪的密度低，贮藏在里面的空气就多，保温作用就显得特别强。老雪呢，像旧棉袄似的，密度高，贮藏在里面的空气少，保温作用就弱了。
为什么物体里贮藏的空气越多，保温效果越强呢？
这是因为空气是不良导体的缘故。我们知道，任何一个物体，它本身都能通过热量，这种能够通过热量的性能，称做物体的导热性。在自然界常见的几种物质中，空气的导热性最差。所以物体里容纳的空气越多，它的导热性就越差。由於积雪里所能容纳的空气量变化幅度较大，因此，积雪的导热系数变化幅度也较大。一般刚下的新雪孔隙大，保温效应最好，到春天融雪后期，积雪为水所浸渍，这时它的导热系数就更接近於水了，积雪的保温作用便趋於消失。
冰缘气候条件下积雪场频繁的消融和冻胀所产生的一种侵蚀作用。产生雪蚀作用的地区分布在没有冰盖的极地和亚极地以及雪线以下、树线以上的高山带。那里年均气温为0℃左右，属於永久冻土带。雪场边缘的交替冻融，一方面通过冰劈作用使地表物质破碎；一方面雪融水将粉碎的细粒物质带走，故雪蚀作用包括剥蚀和搬运两种作用。随著雪场底部加深，周边扩大，山坡上逐渐形成周边坡度小的宽浅盆状凹地，即雪融凹地。其形态、成因和空间分布均不同於冰斗，但两者又有联系。当气候进一步变冷、雪线下降时，雪蚀凹地可发育成冰斗；反之，气候转暖、冰川消退时，冰斗可退化为雪融凹地。不同自然地理条件下的雪蚀作用方式和速度各不相同。在纬度较低、降水量大、年冻融日数多的地方，雪蚀作用速率较快，雪蚀凹地深、面积大。如中国东北小兴安岭地区，雪蚀凹地十分普遍。反之，在纬度高、降水量少、夏温低的地方，雪蚀作用就弱。地面坡度的影响是：坡陡＞40°，雪场不易存在；平地上雪蚀作用极慢；30°左右的坡地上，雪蚀作用最为活跃。 雪怎么形成形成原理
冰云是由微小的冰晶组成的。这些小冰晶在相互碰撞时，冰晶表面会增热而有些融化，并且会互相沾合又重新冻结起来。这样重复多次，冰晶便增大了。另外，在云内也有水汽，所以冰晶也能靠凝华继续增长。但是，冰云一般都很高，而且也不厚，在那里水汽不多，凝华增长很慢，相互碰撞的机会也不多，所以不能增长到很大而形成降水。即使引起了降水，也往往在下降途中被蒸发掉，很少能落到地面。 雪景
最有利于云滴增长的是混合云。混合云是由小冰晶和过冷却水滴共同组成的。当一团空气对于冰晶说来已经达到饱和的时候，对于水滴说来却还没有达到饱和。这时云中的水汽向冰晶表面上凝华，而过冷却水滴却在蒸发，这时就产生了冰晶从过冷却水滴上“吸附”水汽的现象。在这种情况下，冰晶增长得很快。另外，过冷却水是很不稳定的。一碰它，它就要冻结起来。所以，在混合云里，当过冷却水滴和冰晶相碰撞的时候，就会冻结沾附在冰晶表面上，使它迅速增大。当小冰晶增大到能够克服空气的阻力和浮力时，便落到地面，这就是雪花。 当靠近地面的空气在0℃以上，但是这层空气不厚，温度也不很高，会使雪花没有来得及完全融化就落到了地面。这叫做降“湿雪”，或“雨雪并降”。这种现象在气象学里叫“雨夹雪”[2]。
编辑本段形成条件
水汽饱和 空气在某一个温度下所能包含的最大水汽量，叫做饱和水汽量。空气达到饱和时的温度，叫做露点。饱和的空气冷却到露点以下的温度时，空气里就有多余的水汽变成水滴或冰晶。因为冰面饱和水汽含量比水面要低，所以冰晶生长所要求的水汽饱和程度比水滴要低。也就是说，水滴必须在相对湿度（相对湿度是指空气中的实际水汽压与同温度下空气的饱和水汽压的比值）不小于100%时才能增长；而冰晶呢，往往相对湿度不足100%时也能增长。例如，空气温度为_20℃时，相对湿度只有80%，冰晶就能增长了。气温越低，冰晶增长所需要的湿度越小。因此，在高空低温环境里，冰晶比水滴更容易产生 空气里有凝结核 有人做过试验，如果没有凝结核，空气里的水汽，过饱和到相对湿度500%以上的程度，才有可能凝聚成水滴。但这样大的过饱和现象在自然大气里是不会存在的。所以没有凝结核的话，我们地球上就很难能见到雨雪。凝结核是一些悬浮在空中的很微小的固体微粒。最理想的凝结核是那些吸收水分最强的物质微粒。比如说海盐、硫酸、氮和其它一些化学物质的微粒。所以我们有时才会见到天空中有云，却不见降雪，在这种情况下人们往往采用人工降雪。暴风雪形成的原因谢谢！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！雨和雪是怎么形成的水是地球上各种生灵存在的根本，水的变化和运动造就了我们今天的世界。在地球上，水是不断循环运动的，海洋和地面上的水受热蒸发到天空中，这些水汽又随着风运动到别的地方，当它们遇到冷空气，形成降水又重新回到地球表面。这种降水分为两种：一种是液态降水，这就是下雨；另一种是固态降水，这就是下雪或下冰雹等。
大气里以固态形式落到地球表面上的降水，叫做大气固态降水。雪是大气固态降水中的一种最广泛、最普遍、最主要的形式。大气固态降水是多种多样的，除了美丽的雪花以外，还包括能造成很大危害的冰雹，还有我们不经常见到的雪霰和冰粒。
由于天空中气象条件和生长环境的差异，造成了形形色色的大气固态降水。这些大气固态降水的叫法因地而异，因人而异，名目繁多，极不统一。为了方便起见，国际水文协会所属的国际雪冰委员会，在征求各国专家意见的基础上，于1949年召开了一个专门性的国际会议，会上通过了关于大气固态降水简明分类的提案。这个简明分类，把大气固态降水分为十种：雪片、星形雪花、柱状雪晶、针状雪晶、多枝状雪晶、轴状雪晶、不规则雪晶、霰、冰粒和雹。前面的七种统称为雪。
为什么后面三种不能叫做雪呢？原来由气态的水汽变成固态的水有两个过程，一个是水汽先变成水，然后水再凝结成冰晶；还有一种是水汽不经过水，直接变成冰晶，这种过程叫做水的凝华。所以说雪是天空中的水汽经凝华而来的固态降水。（十种大气固态降水形态：雪片、星形雪花、柱状雪晶、针状雪晶、多枝状雪晶、轴状雪晶、不规则雪晶、霰、冰粒、雹）。
在水云中，云滴都是小水滴。它们主要是靠继续凝结和互相碰撞并合而增大成为雨滴的。
冰云是由微小的冰晶组成的。这些小冰晶在相互碰撞时，冰晶表面会增热而有些融化，并且会互相沾合又重新冻结起来。这样重复多次，冰晶便增大了。另外，在云内也有水汽，所以冰晶也能靠凝华继续增长。但是，冰云一般都很高，而且也不厚，在那里水汽不多，凝华增长很慢，相互碰撞的机会也不多，所以不能增长到很大而形成降水。即使引起了降水，也往往在下降途中被蒸发掉，很少能落到地面。
最有利于云滴增长的是混合云。混合云是由小冰晶和过冷却水滴共同组成的。当一团空气对于冰晶说来已经达到饱和的时候，对于水滴说来却还没有达到饱和。这时云中的水汽向冰晶表面上凝华，而过冷却水滴却在蒸发，这时就产生了冰晶从过冷却水滴上"吸附"水汽的现象。在这种情况下，冰晶增长得很快。另外，过冷却水是很不稳定的。一碰它，它就要冻结起来。所以，在混合云里，当过冷却水滴和冰晶相碰撞的时候，就会冻结沾附在冰晶表面上，使它迅速增大。当小冰晶增大到能够克服空气的阻力和浮力时，便落到地面，这就是雪花。
在初春和秋末，靠近地面的空气在0℃以上，但是这层空气不厚，温度也不很高，会使雪花没有来得及完全融化就落到了地面。这叫做降"湿雪"，或"雨雪并降"。这种现象在气象学里叫“雨夹雪”。
同样雪的大小也按降水量分类 雪可分为小雪,中雪和大雪三类, 怎样加雪种在天空中运动的水汽怎样才能形成降雪呢？是不是温度低于零度就可以了？不是的，水汽想要结晶，形成降雪必须具备两个条件：
一个条件是水汽饱和。空气在某一个温度下所能包含的最大水汽量，叫做饱和水汽量。空气达到饱和时的温度，叫做露点。饱和的空气冷却到露点以下的温度时，空气里就有多余的水汽变成水滴或冰晶。因为冰面饱和水汽含量比水面要低，所以冰晶生长所要求的水汽饱和程度比水滴要低。也就是说，水滴必须在相对湿度（相对湿度是指空气中的实际水汽压与同温度下空气的饱和水汽压的比值）不小于100%时才能增长；而冰晶呢，往往相对湿度不足100%时也能增长。例如，空气温度为_20℃时，相对湿度只有80%，冰晶就能增长了。气温越低，冰晶增长所需要的湿度越小。因此，在高空低温环境里，冰晶比水滴更容易产生。
另一个条件是空气里必须有凝结核。有人做过试验，如果没有凝结核，空气里的水汽，过饱和到相对湿度500%以上的程度，才有可能凝聚成水滴。但这样大的过饱和现象在自然大气里是不会存在的。所以没有凝结核的话，我们地球上就很难能见到雨雪。凝结核是一些悬浮在空中的很微小的固体微粒。最理想的凝结核是那些吸收水分最强的物质微粒。比如说海盐、硫酸、氮和其它一些化学物质的微粒。所以我们有时才会见到天空中有云，却不见降雪，在这种情况下人们往往采用人工降雪。 怎样回收空调雪种标签:&&&&&&&&&&&&该用户的其他资料
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资料评价：
所需积分：0雪线高度是指终年积雪下限的海拔。下图表示“南半球不同纬度多年平均雪线高度以及气温、降水量的分布”。读图完成3～4题。3．对南半球不同纬度多年平均雪线高度以及气温、降水量曲线的表示正确的是A.a-气温，b-降水量，c-雪线B．a-降水量，b-气温，c-雪线C.a-雪线，b-降水量，c-气温D．a-降水量，b-雪线，c-气温4．对图中曲线变化的叙述，正确的是A、影响a曲线变化的主要因素是海陆分布B、b曲线的峰值与a、c均有密切关系C、影响c曲线变化的主要因素是大气环流D．中高纬地区，三条曲线的变化趋势基本一致DB3.气温大致随着纬度升高而降低，因此c表示气温。副热带地区由于受副热带高气压带的控制降水较少，因此a表示降水量。雪线与降水和气温均有关系，副热带地区由于降水很少，因此雪线很高，因此b表示雪线。4.精品解析：山东省聊城市2012届高三第一次高考模拟文科综合地理部分解析答案
3.气温大致随着纬度升高而降低，因此c表示气温。副热带地区由于受副热带高气压带的控制降水较少，因此a表示降水量。雪线与降水和气温均有关系，副热带地区由于降水很少，因此雪线很高，因此b表示雪线。4.相关试题哈佛百年经典·科学论文集：物理学、化学、天文学、地质学（第11卷）
赫尔曼·路德维希·费迪南·冯·赫姆霍兹于日出生于柏林附近的波茨坦，他的父亲是一名高级中学教师，父亲的教导为赫姆霍兹广博、全面的知识奠定了基础；他的母亲是英国贵格会教徒威廉·佩恩的后裔。
赫姆霍兹很小就显露出不一般的计算能力，并希望一生致力于物理学的研究，但为生计所迫，他念了医科，在波茨坦担任外科军医。1842年，他发表了第一篇科技论文，从1842年到1894年他逝世为止的52年时间里，他持续不断地发表论文。他拥有很多学术身份，先后在柯尼斯堡、波恩和海德堡教授生理学。在生命的后23年里，他一直在柏林大学担任物理学教授。
然而，他的教授工作并没有给他的事业提供多少灵感。他对科学的贡献涉及医学、生理学、光学、声学、数学、机械学和电学。他对科学和艺术的热爱使他在美学上也有所建树，他对绘画、诗歌以及音乐都有独特的见解。
在赫姆霍兹开始公开讲座的时候，公开讲座在德国还鲜为人知。为了使讲座得到人们的认可，为了给讲座制定标准，赫姆霍兹可说是呕心沥血。读者朋友们看了后面的论文之后会发现，他的讲座是他那一代人的杰作。一位传记作家说：“大师倾尽他的学问和财富来研究问题，而有人出资进行阐述却是为了永恒的利益。”对我们来说，幸运的是，在第一批科学家和思想家中有这么一位，他愿意与外界分享他辛勤研究所取得的辉煌成果，并且懂得如何让大家明白他的研究成果。
查尔斯·艾略特
论力的守恒
——年冬天，在卡尔斯鲁厄的一系列讲座的内容
我已经准备好了在这里做一系列讲座，我认为讲课的最好方法是用一些合适的例子来讲解科学理论。自然科学因为它的实际应用，以及在过去四个世纪里对人们思维的影响，迅速而深刻地改变了文明国度里的方方面面：它使这些国家的财富增加，使人们的生活变得更幸福，使人们的健康意识提高，使工业的类型增多，使社会的交流增多，甚至使人们的政治权利增强了。这让任何一个受过教育的人，即使他不想做科学研究，都不得不去努力了解这改变世界的动力，而其也必定会对科学研究这种特别的脑力劳动产生兴趣。
对于科学的种类，我已经探讨了自然科学和精神科学之间所存在的典型差别。然后我努力证明差别的存在，证明它们存在于自然现象和自然产物所遵循的规律之中。无论如何，我并不否认人们的精神生活也有规律可循，这是哲学、语言学、历史学、道德学和社会科学应该建立的目标。在精神生活中，法则的影响错综复杂，以至于任何结论都有可能，却很少得到证实。在大自然中，情况刚好相反。我们已经发现了许许多多自然现象的起源和发展规律，它们是如此精确和完整，我们可以很肯定地预测它们的未来，甚至可以根据自己的意愿来引导规律。人类运用智慧充分认识自然规律的最伟大的例子，就是现代天文学。一个简单的引力不仅可以管辖我们行星系中的天体，还可以控制非常遥远的双星的运动。即使是来自于这些双星的光线——传播得最快的信息使者，我们也要几年后才能看见。正是因为遵循这种规律，所以我们可以准确地预测一些尚未确定的天体在未来几年甚至几百年的运动。
正是依靠对规律的遵循，我们才知道怎样征服蒸汽那猛烈的力量，让它变成我们所需要的忠实仆人。而且，物理学家的研究智慧也必须依赖对规律的遵从。这是一种兴趣，与精神和道德提供的趣味不同。从某种意义上说，人们对艺术的兴趣影响了对科学的兴趣。艺术可以展现历史上的每一个伟大事件，展现每一种强烈的激情、风俗习惯、城市布置、遥远国度或者远古时代的文化。即使没有确切的科学根据，艺术所展现的都会俘获我们的心，引起我们的兴趣。我们不断发现自己的思想和情感，我们开始知道自己心中隐藏的欲望，而这些在和平的文明的生活中还没有被唤醒。
不能否认的是，人们还非常缺乏对自然科学的兴趣爱好。每一个事实本身就足以唤起我们的好奇心，或者使我们大为惊奇，或者对实际应用有益。但是，我们只能从整体的联系中，从自然规律中获得理性上的满足。我们将发现规律并在思维中运用规律的内在能力称为理性。纯理性的特殊力量要在它们所有已确定的事和所有关系中延伸开来的话，那么，广义上对自然的探索，包括数学，是最合适不过的场所了。对自然的探索不仅能让我们感受到成功之后的喜悦，而且也是我们的思想和意志对外在世界征服的成功。外在世界中有我们不熟悉的，有与我们敌对的，成功征服是对我们劳动的回报。但是，我也想说，当我们探索自然界的巨大财富时，我们能得到艺术上的满足感。自然有规律地组成了一个整体——宇宙，它是我们逻辑思维的镜像。
过去几十年的科学发展已经让我们认识到了所有自然现象的一个普遍规律。从它无比广泛的范围，从它与所有自然现象的联系，甚至从它与最远古的时代、最遥远的国度的联系来看，这个普遍规律足以给我们一种灵感，那就是我已经讲过的自然科学的特点，它是我演讲的一个主题。
这个规律就是“力的守恒定律”，我首先得解释一下这个术语的意思。它并不是一个全新的术语，因为在自然现象的各个领域里，牛顿、丹尼尔·伯努利已经对它进行了阐释；拉姆福德、汉弗莱·戴维已经认识到了它是热力学中的重要理论。
1842年，朱利叶斯·罗伯特·迈耶博士，一位斯瓦比亚医生（现在住在海尔布隆），第一次阐述了这个规律，这使它被广泛应用成为可能。几乎在同时，詹姆斯·普雷斯科特·焦耳，一个英国制造商，对热与机械力的关系做了一系列重要而又复杂的实验，并引发了一些重要的观点，但新的理论仍然有待实际运用的证实。
力的守恒定律是这样的：“在整个自然界中发挥作用的力的总量是不变的，既不会增加也不会减少。”我先来解释什么是“力的总量”，这个概念更常用于技术应用，在机械方面，我们称这个词为“工作量”。
机器的做功或者自然过程的做功的概念是对比了人类的工作能力之后得出的，因此，最好借助人的劳动来说明我们所关心的问题的最重要的特点。说到机器的做功和自然过程的做功，我们必须排除智力活动的作用因素。智力活动也能完成有难度和高强度的思考工作，这让人感到劳累，就像肌肉疲劳使人感到劳累一样。但是在机器做功过程中，无论什么样的智力行为——当然都是来源于操作者的想法，都不能施加其上。
现在，人力之外做功的种类很多，涉及不同的力、不同的运动形式和速度。但是，铁匠的两个胳膊抡着重锤狠狠下击，小提琴家的双臂弹奏出了动人的旋律，织工的手织出了精美的天衣无缝的花边，所有这些都需要一种力，这种力让他们用同样的器官以同样的姿势活动——臂膀的肌肉。如果手臂的肌肉拉伤了，人就不能做任何事。肌肉必须是健康的才能用力，而且必须能感应神经，以让肌肉接受大脑的指示。因此，肌肉是最能活动的，它能驱动各种各样的机器完成各不相同的任务。
因为人的肌肉对机器有这种作用，所以机器被广泛运用于各种装置。通过机器的作用，我们可以用不同程度的力量和速度做各种各样的事情，从大功率的汽锤到轧钢厂——在那里巨大的铁块被切割制造得像黄油，再到纺纱和织布——这种工作可以与蜘蛛的工作相媲美。现代机器有很多方法把一组滚轮运转到另一组上，或者改变速率；有很多方法把轮子的旋转运动变为活塞杆、梭子、下落锤以及杵的上下运动，或者相反，把后面的运动变成前面的那种运动；它可以的话，还能把匀速运动变成变速运动；等等。因此，这些极为有用的机器，可以被用到工业的各个领域中去。不同种类的机器在做功时有一点是相同的，那就是它们都需要动力才能运动，就像人的手需要肌肉的动力才能劳动一样。
铁匠比小提琴手需要更大强度地伸展肌肉，在机器中也存在这种所需动力力量的不同和持续时间的不同。所以当谈到机器的“工作量”的时候，我们只需要想一下这种差异，它相当于人类劳动中不同程度的肌肉伸展。这样，我们就不会关注机器的运动和装置的不同特点，我们只关心它消耗了多少力。
我们经常用到“耗力”这个词，这说明所用的力已经消耗并且消失了，这让我们进一步地比较人工和机器生产的不同效果。肌肉伸展的程度越大，用力的时间就会越长，手就会越累，随着时间的流逝，所消耗的力就越来越多。我们应该明白工作之后的劳累也存在于无机自然界，人之所以会疲倦，也是我们现在所讨论的定律的表现之一。当我们疲倦的时候，我们需要恢复，所以就需要休息和营养。我们发现无机动力也是如此，当它们做功的能力消耗殆尽后，力有可能再生，尽管在一般情况下，适用于它们的方法并不适用于人类。
从肌肉的伸展，从疲乏的感觉中，我们可以大致了解什么是“工作量”了，但是我们必须制定一种标准，这样我们才能计算工作量，而不是通过比较进行不确定的估计。关于这一点，如果用最简单的无机动力来计算——而不是人体肌肉的伸展，会容易一些。因为肌肉是一种很复杂的组织，它以极其错综复杂的方式发挥作用。
来看一下我们最了解的和最简单的动力——重力，我们来看看重力对钟所起的作用。钟要在一个摆锤的驱动下才能运转，这个摆锤，系在了一根发条上，缠绕在一个滑轮上，和钟的第一个齿轮相连。如果它没有受到重力的吸引，它就不能使整个钟运转。现在，请你们注意下面的几点内容：如果摆锤自身不下沉的话，它是不能让钟运转的；摆锤不摆动，钟就不会转动，它只有在重力的吸引下才能转动。因此，如果钟要转动，摆锤必须一直下沉，一直下沉到发条能支撑的最大程度，然后钟就停了，摆锤也不能发挥作用了。摆锤的重力没有消失也没有减少，摆锤和之前一样受到地球的吸引，但是使钟表运转的那部分重力消失了。摆锤的重力只能使它在发条的末端保持静止，它再也不能让钟走动了。
但是，我们可以用手上紧发条，这样摆锤又上升了。发条上紧之后，摆锤又可以像之前一样摆动了，因而又能让钟走动了。
从中我们可以知道升高了的摆锤具有动力，这种力想发挥作用的话，就必须下沉，下沉之后，动力会耗尽，但是我们可以用外力——手的力——使它恢复。
摆锤驱动钟做的功并不是太大，它不断减少轮轴和齿轮摩擦产生的小的阻力，同时还有空气的阻力，这些与轮子的运动呈相反方向，它还要为钟摆振动后产生的小的脉冲和声音提供动力。如果把摆锤从钟表上拆下来，钟摆会在停下来之前摆动一会儿，但是它摆动的幅度会越来越小，在很小的阻力的作用下逐渐地耗力，最后耗尽了所有的力，完全停止摆动。因此，为了让钟运转，必须要有动力，尽管力很小，但是必须要一直给它施加力。这种力来源于摆锤。
从这个例子中，我们知道了一种测量工作量的方法。假设这个钟在一个重5磅的摆锤的驱动下工作，24小时内它会下沉5英尺。如果我们准备10个这样的钟，每一个的摆锤都重1磅，然后这些钟会转动24个小时，因此，每一个钟都会在同样的时间内像其他钟一样减少阻力，10磅的摆锤下沉5英尺所做的功是1磅的摆锤所做功的10倍。所以我们可以得出这样的结论，如果下降的高度是一样的，所做的功会随着重量的增加而增加。
现在，如果我们增加发条的长度，这样摆锤就会下降10英尺，钟会运转两天而不是一天。而且，因为其下降的高度是原来的两倍，摆锤在第二天所减少的阻力和第一天的一样，因此它所做的功是它只能下降5英尺时所做的功的两倍。重量没变，做功随着下降的高度的增加而增加。所以，现在我们至少可以用下降的高度来衡量摆锤做的功。事实上，这种测量方法并不限于个别情况，在制造业中它还是测量量级或者做功的通用标准——“英尺磅”，即1磅上升1英尺的工作量。
我们可以把这种测量做功的方法运用于所有的机器，因为我们可以通过拉动滑轮来让它们运转。所以对于任何机器，我们可以通过摆锤下降的高度来体现驱动力的量级，这可以让机器的装置运转到一定程度。因此用英尺磅来测量做功大小的方法被广泛采用。把这种摆锤作为驱动力并不具有实际优势，尤其是在需要用手把它升高的情况下——在那种情况下，直接用手更容易让机器工作。给钟装上摆锤，这样我们就不必一整天都站在钟的旁边了。给钟上紧发条，它就积累了一定的动力，这动力足够让它再工作24小时了。
这与自然本身使摆锤上升，然后让它为我们所用是不同的，这并不适用于固体，却被广泛地应用于水，在气象的作用下水上升到山的顶部，又回到溪流中。我们把水的重力当作动力，最直接的应用就是所谓的“上射水车”（图90）。在这个轮子的周围有很多桶，它们是用来装水的，在对着观察者的一边，桶的顶部都朝上；在背着观察者的一边，桶的顶部都朝下。水从M处流出来，流到轮子前方的桶里，在F处，出入口开始向下倾斜，水就流出来了。对着观察者的这边的桶里装满了水，到另一边的时候就空了。因此，前者因为它所装的水而变重了，后者却不会，水的重力持续作用于轮子的一方，把它向下拉，从而带动轮子转动，轮子的另一方没有阻力，因为另一边没装水。正是向下流的水的重力使轮子转动，并提供动力。但是你们马上就会看到，为了使轮子转动，大量的水必须向下流。当它流到顶部的时候，尽管它根本没有失去重力，但是如果它不照例继续流，那么不管是施加人力还是自然力，它都不会再使轮子转动。如果可以从水车流到更低的水面，它也许能让其他的轮子转动，但是当它流到最低的水平面（大海）时，剩下的动力也用光了，因为它不能在它的重力——也就是地球的引力——下发挥作用了，除非它重新到达更高的水位。这实际上受气象的影响，你们很快就会看到这些动力的来源。
水能——而不是人自己或者家畜的劳动力——是人类学会运用的第一种无机动力。据斯特雷波说，因自然知识而闻名的本都国王米特拉达提斯就了解水能，在他的宫殿附近就有一架水车。第一代罗马皇帝在位期间，首次将水车引进罗马。即便是现在，在高山、溪谷，或者水流湍急、常年积水的小溪和小河附近都有水磨。我们发现水能的运用范围与机器操作不相上下，水能推动了玉米磨坊、锯木厂、铁锤制造厂、榨油厂、纺纱厂和织布厂等工厂的运作。而且它在所有动力中是最便宜的，它在自然中的存储量有无穷之多。但是它却受地理位置的限制，只大量存在于多山的国家，在一些地势平坦的国家，需要修水库筑坝拦水来积蓄水力。
在讨论另一种动力之前，我必须回答大家的一个疑问。我们知道很多机器，像滑轮、杠杆和起重机，只需耗用一点力就可以把重物升起来。我们经常看到一两个工人把很重的石块升到很高的地方，这是单凭他们自己的力量所不能做到的。同样，一两个人用起重机可以把最大、最重的箱子从船上转移到码头上。现在有人要问了，如果用一个又大又重的物体来驱动一个机器，难道不可以使起重机或者滑轮组把被搬运的重物升得更高吗？
答案是，当机器所耗的力变小时，它耗力的过程就会延长，因此就算有了更大的发动机，机器却并没有得到更大的动力。我们来设想一下，四个工人必须用一个单滑轮升起4英担重的物体，他们把绳索向下拉4英尺，物体就向上升高4英尺。但是现在，我们把同样重的物体挂在由四个滑轮组成的滑轮组上（图91），因为一个工人不可能用一个滑轮升起这个物体，然而结果是，他把绳索向下拉4英尺，物体只会上升1英尺，因为他在a处拉动的绳索长度，被均匀地分配到四根绳索上了，因此每根绳索只上升了1英尺。所以，要把物体上升到同样的高度，这个工人的工作量必须是四个人工作时他的工作量的4倍。但是，总的工作量是一样的，四个工人工作一刻钟，一个工人就得工作一个小时。
如果我们使用重物，而不是人力，在滑轮上挂上重400磅的物体，在a处，坐一个重100磅的人，然后滑轮就会保持平衡，而且，不需要用太大的力就可以让滑轮转动。100磅的那端下降了，400磅的却升高了。不需要用太大的力，轻的那一端沉下去而把重的那一端提起来了。观察发现轻的那一端下降的距离是重的那一端上升的距离的4倍。但是，100磅下降4英尺做的功就是400英尺磅，这和400磅下降1英尺做的功是一样的。
通过调整，杠杆也可以有同样的作用。图92中ab为一根简单的杠杆，c为支点，臂cb是臂ac的4倍长。把一个重1磅的物体挂在b处，把一个重4磅的物体挂在a处，杠杆就保持平衡了。然后不需要用太大的力，轻轻地用手指一碰，它就会倾斜到a′ b′这个位置，同时，重4磅的物体翘起来了，而重1磅的物体却沉下去了。但是，你们看这也没有什么不同，因为重的物体上升了1英寸，轻的物体就下降了4英寸；重4磅的物体上升1英寸的工作量相当于重1磅的物体下降4英寸的工作量。
机器上大多数的固定部分都可以被视为调整过的复合杠杆，例如，一个齿轮联动装置就是由一系列杠杆组成的，它的末端是由单独的齿轮做成的，它们一个连一个，按照一定的顺序排列组装起来，这样，齿轮就使邻近的小齿轮紧紧连接在一起。以图93中的起重绞车为例，假设绞车圆筒轴上的小齿轮有12个齿，而齿轮H′、H有72个齿，也就是说，齿轮的齿是小齿轮的6倍。在齿轮H和圆筒D转动一次之前绞车一定已经转动6次了，也在升起重物的绳索上升的长度等于圆筒的周长之前转动了6次。因此，如果用手摇动圆筒D的话，那么尽管只需用六分之一的力，但工人需要的工作时间是之前的6倍。我们发现几乎所有的机器都符合这样的规律：运动的速率提高，力量就会减小；当力量增大的时候，速率就会降低。但是工作量却没有因此而增加。
前面我们已经谈到过，在上射水车中，水在它的重力下转动，但是也有另外一种水车，叫作下射水轮，它只在水的冲击下转动，如图94所示。当水流的高度不够，水不能流到水车的上面部分的时候就用这种水车。下射水轮的下面部分浸在流水中，流水撞击浮动板，并卷动它们。这种水车被用在水流湍急但没有多大落差的河流中，比如说莱茵河。只要水车周围的水有一定的流速，就不需要水流有太大的落差，水的流速对浮动板产生了影响，而浮动板的转动创造了动力。
由于缺少水位落差，风车替代水车在荷兰和德国北部的大平原上得到使用，这是另一个因为速率而运动的实例。翼板在流动的空气——风——的作用下转动，静止的空气对风车几乎没有推动作用，就像静止的水对水车几乎没有作用一样。驱动力在这里依靠的是空气流动的速率。
手中的子弹是世界上最无害的物体，因为它有重力，不会产生任何影响。但是，当子弹射出去的时候，飞快的速度所产生的巨大的力会使它穿过所有的障碍。
如果我把铁锤轻轻地放在钉子上，不管是铁锤的重量还是我手上的力都不会把钉子钉进木头。但是，如果我挥起铁锤，迅速落下去，它就获得了一种新的力，这种力可以克服更大的阻力。
这些例子告诉我们，运动物体的速度可以产生动力。在力学中，速度被当作一种动力而且可以做功，被称为活力。这个名字没有选好，这太容易让我们想到生物的活力了。不论在铁锤还是子弹的例子中，做功的时候，速度就会减慢。我们有必要对水磨或者风车进行一个关于流动的水和空气的更加仔细的调查，以证明当它们做功的时候它们的速度减慢了一些。
速度和工作效率的关系，在钟摆中最常见。把一个物体挂在一根细绳上就做成了一个摆动装置，假设图95中M处的球形物体就是这个重物，AB是一根从球体的中心穿过的水平线，P点是细绳所系的位置。如果我把重物M拉向A点，它会沿着弧Ma移动，它的末端a比水平线上的A点更高，重物会从A的高度上升到a的高度。因此，我会施加一定的力把重物移动到a处。之后，重力会使重物回到M点——它所能及的最低点。
现在我把重物拉到了a点之后，放手。在重力的作用下，它以一定的速度回到M点，然而它再也不会像之前那样静止地悬挂在M点了，而是从M点摆到b点。Bb的距离与Aa的距离相等。到达b点之后，它又沿着同样的路线经过M点返回到a点，如此循环往复，逐渐地减少摆动，最终在空气的阻力和摩擦力的作用下停止摆动。
为什么重物从a点摆动到M点时，并没有静止在M点，而是上升到了b点？因为它的速度。它从Aa这个高度摆下来所获得的速度使它能够升到同样的高度Bb，因而运动物体M的速度能够使它升高——用力学的术语来表达就是做功。如果我敲一下这个悬挂的物体，给它施加一定的速度，也会产生这样的效果。
从这一点上，我们更加明白了怎样测量速度的工作功率，或者运动物体的活力。它相当于在英尺磅中所说的那种功，在最佳条件下，同样的物体在速度的作用下，可以升到尽可能高的高度。这并不依赖速度的方向，因为，如果摆动一个用线圈穿起来的物体，我们甚至可以把向下的运动变为向上的运动。
钟摆的运动已经很清楚地告诉我们，一个升高了的物体的工作功率的形式和一个移动物体的工作功率的形式有可能相互融合。图95中物体在a、b两点的时候，物体的速度消失了；在M点的时候，它已经降落到最低的位置了，但是获得了速度。当物体从a点摆动到M点的时候，物体上升做的功转换成了活力；当物体再从M点摆动到b点的时候，活力转换成了物体上升的功。如果不考虑空气的阻力和摩擦力的影响，手最初对物体施加的力在物体摆动的过程中并没有消失，也没有增加，它只是在不断地变换形式。
我们来看看一些有弹性的物体的机械力。给钟上紧发条时，我们发现时钟和表的里面是卷绕成圈的钢簧。钟转动的时候，钢簧就会展开。把钢簧卷起来的时候我们的手臂要用力，手要克服钢簧的弹力，就像我们调整钟的摆锤时需要克服摆锤的重力一样。卷好的钢簧会做功，在它驱动发条的时候它所获得的能力会逐渐减少。
如果我拉紧一张弓，然后放手，紧绷的弦会推动搭在弓上的箭，弓弦的速度给箭施加了力。我需要拉几秒才能让弓绷紧，这种功的作用会在箭射出去的那一刻体现出来，因此，我把弓拉紧之后，它在很短的时间内就会起作用；相反，钟会转动一天或者几天。如果最开始我的手没有施加力给时钟和弓，这两者就都不会做功。
如果通过自然的过程而不是用力，能让有弹性的物体绷紧，情况就不同了。这种情况最有可能也最容易发生在气体上。例如，如果我把枪装满火药，然后开枪，大部分火药会在高温下变成气体，气体有强烈的扩散趋势，但在强压的作用下，气体只能存在于它们形成时的那个狭小的空间里，于是在气体强大的扩散的力的推动下，子弹以极快的速度射出去了，这就是做功的一种形式。在这种情况下，我没有用力，却让它做了功。然而，有些东西失去了——火药，火药变成了其他的化合物，然后，一种物理变化发生了，在这种变化的影响下，它开始做功。
气体更大程度上是在热量的作用下扩张。我们以大气为例，来举个最简单的例子。图96中所示的这种仪器就像勒尼奥用来测量受热气体的膨胀力的仪器一样，如果不是为了确保测量结果的精确性，仪器会组装得更简单。C是一个球状玻璃器皿，里面装满了干燥的空气，它放在一个金属容器里，这样水蒸气就可以加热它。它和一个装有液体的U形管S s相连，当开关R关闭的时候，两根管就相通了。当玻璃器皿是冷的时候，管S s中的液体相平，加热之后管s中的液体会升高，最后会溢出来。所以加热玻璃器皿的时候，要让一些液体从R流出去，管S s中的液体才会相平。当器皿冷却下来后，液体会沿着n上升。在这两种情况下，液体都会上升，因此都做了功。
为了让压缩气体不断地从锅炉中分离出来，就得持续地给锅炉加热，图96中球状器皿里的空气，很快就会扩张到最大程度，然后会被水替代，水在受热之后又不断变成水蒸气。但是水蒸气，只要它保持这种状态，它就是一种弹性气体，并像大气一样会膨胀。不是上一个实验中升起的液体柱，而是机器推动了实心活塞，实心活塞又带动了机器的其他部分运转。图97是一个高压发动机工作部件的前视图，图98是它的截面图。图中没有展示产生水蒸气的锅炉，水蒸气经过图98中的管z z到达汽缸A A中，推动塞得很紧的活塞C。管z z和圆柱A A之间的部分是阀箱K K中的滑阀。d和e两根管让水蒸气先从活塞下面通过，然后到达活塞的上面部分，同时，水蒸气从汽缸的另一半中自由地通过。当水蒸气从活塞下方通过的时候，它把活塞向上推，当活塞上升到最高位置时，K K中阀的活塞改变，水蒸气从活塞的上方通过，然后又让活塞下降。活塞杆与杆P连接之后，对飞轮X的曲柄Q起作用，使其转动。杆S的运动可以调节阀的开关。但是，我们不必讨论它们设计得有多精巧，我们只关注在热的作用下可任意膨胀的水汽是怎样产生的，而且在膨胀的过程中，水汽是怎样推动机器的固体部分并做功的。
我们都知道蒸汽机的作用强大而多样，蒸汽机的使用使工业得到了很大的发展，工业，而不是其他，成了我们19世纪的特点。和之前的动力相比，蒸汽机最主要的优势就是不受地点的限制。煤和少量的水就是蒸汽机的动力来源，蒸汽机可以被带到任何地方，它甚至可以移动，就像蒸汽船和机车一样。有了这些机器，我们可以在地球上任何一个地方几乎无限地发挥这种动力的优势，在深矿井里，甚至在海洋的中部；而水车和风车只能用于地面的某些地方。机车在陆地上大量地运送旅客和货物，它的速度对我们的祖先来说就是不可能实现的传说，他们认为能载六个乘客一小时行驶10英里的邮车已经是一种巨大的进步。风暴可能会把帆船吹得很远，但蒸汽机能成功地抵御风暴。蒸汽船还能不受风向的影响穿越海洋，按时到达目的地。在一些缺乏风能和水能的大城镇，各行各业大量的技术工人所具有的优势可以得到发挥，因为蒸汽机可以出现在任何地方，于是人力就可以用在更适合的地方了。事实确实是这样的，一个地方只要土地的性质或者适合的交通路线能为工业的发展提供有利条件，蒸汽机就会在那里出现。
我们已经明白了热量可以产生机械功率。从我们讨论过的例子中我们知道，一个物理过程产生的力的多少，总是可以被精确地测量，而且自然力进一步做功的能力既不会因为它已做的功而减少，也不会因为它已做的功而消失。那么在这一点上，热量会怎样呢？
如果要把力的守恒定律放到所有的自然过程中，这个问题至关重要。回答这个问题时，传统的观点和新的观点有明显的差异。因此，许多物理学家把有关力的守恒定律的自然观称为“热量机械理论”。
对热量的性质的传统看法是，它确实是一种很小很轻的物质，但是它不能被摧毁，而且数量不可变化，这一点是所有物质的一个重要的基本性质。事实上在很多自然过程中，热量的多少可以在温度计中体现出来，但是不可改变。
通过传导和辐射，它的确能够从较热的物体传到较冷的物体，通过温度计我们可以看到前者损耗的热量，转移到后者了。很多过程都是广为人知的，尤其是物质从固态到液态再到气态的过程。在这个过程中，热量消失了——不管怎样，从温度计上看是如此。但是，当气态物质又变成液态物质，液态物质又变回固态物质的时候，在之前看来消失的热量又回来了。据说，热是潜伏的。从这一观点来看，在是否含有受限热量方面，液态水不同于冰，因为冰的热量受限制，它的温度不能传到温度计上，因此没有体现出来；水蒸气含有太多的热，因此受到了限制；但是，如果水汽凝结，而且液态的水变成冰，会释放出完全等量的热，就好像在冰的融化和水的汽化过程中，热量潜伏起来了。
在化学过程中，有时候会产生热，有时候热会消失。我们假设很多的化学元素和化合物一直都含有一定量的潜伏热量，当这些物质的成分发生改变的时候，这些潜伏热量有时会释放出来，有时需要从外界得到补充。精确的实验已经表明，化学过程中产生的热——比如说，1磅的碳燃烧后变成碳酸——是绝对不会变的，不管燃烧得慢或快。这和我们的假设完全一致，这是热理论的基础，即热是一种数量完全不会改变的物质。我们简单提到过的自然过程，是大量实验研究和数学研究的主题，尤其是18世纪90年代和19世纪第一个十年里伟大的法国物理学家们的研究主题。物理学已经翻开了辉煌而又精密的一章，在这里所有的假设都得到了证实——热是一种物质。另外，在那个时代，所有自然过程中“热量不变”的这一现象不能通过其他方式得到解释，而只能解释为热是一种物质。
但是，有一种关系——热与机械功的关系——还没有得到准确的研究。萨迪·卡诺，一个法国工程师，大革命时代中著名的国防部长的儿子，他假设这种能量会像气体一样膨胀，于是推断出热做的功，从这个假设中，他推断出关于热的做功能力的一个重要定律。即使到了现在，即使克劳修斯对该定律做了一个重要的改变，它还是热量机械理论的基础之一。从这个定律引出的实用结论，至今仍然有效。
众所周知，两个运动的物体不管在哪里相互摩擦，都会重新产生热，但是谁也不知道它是从何处产生的。
这些是公认的事实：四轮马车的轮轴亟须润滑，因为那儿产生的摩擦力很大，让轮轴都变烫了——确实非常烫，以至于都快燃烧了；机车的铁轴很可能烫得足以焊接它们的托座——当然强摩擦力不是释放大量的热所必需的；通过摩擦，一根黄磷火柴会变烫并燃烧起来；要感受摩擦力产生的热量，我们摩擦干燥的双手就够了，这比双手轻轻地合在一起所产生的热量要多得多；原始人通过摩擦两块木头来生火，就像图99中那样，用硬木做一个尖利的纺锤并放在一块软木底座上迅速地旋转。
当固体产生摩擦力时，这些固体表面的微粒被分离和压缩了，可能就是被摩擦的固体发生的些许结构变化释放了潜伏热，这被释放的潜伏热有可能就表现为摩擦产生的热。
但是，液体的摩擦也会产生热，而且这个过程中不会发生结构的变化，也不会释放潜伏热。汉弗莱·戴维爵士在19世纪伊始最先做了这类研究的一个重要实验。在一个凉爽的地方，他让两块冰相互摩擦，使它们融化了。被这些刚形成的水吸收的潜伏热不会是冰传导的，也不会是因为结构的改变而产生的，它不可能由于摩擦以外的原因产生，只可能通过摩擦产生。
和摩擦一样，打击一些弹性不够好的物体，也可能产生热。我们用打火石敲打火镰来生火，用铁锤使劲敲打烧烫的铁棒，就是这个道理。
如果研究一下摩擦力和非弹性碰撞的机械作用，我们立刻会发现它们能让运动静止。一个运动的物体如果不受任何阻力的话，它会一直运动下去，行星的运动就是一个例子。而地面上的物体绝不会像这样运动，因为它们总是和一些静止的物体接触、摩擦。事实上，我们可以很大程度地减少摩擦，但是绝不可能完全消除摩擦。一个轮子使一个加工良好的轴转动，一旦轮子开始转动，它就会持续很长一段时间，它转得越久，轴就会变得越光滑，它越被润滑，承受的压力就会越小。然而，启动时我们施加给轮子的活力会因为摩擦而逐渐地消失。它消失了，我们对此如果不加考虑，可能会以为轮子的活力没受到任何影响就消失了。
一颗在光滑的水平面上滚动的弹丸会持续滚动，直到路面的摩擦使它停下来，这种摩擦是路面的细微颗粒受到碰撞造成的。
如果让一个钟摆振动，就算不受到摆锤的驱动，它也会持续摆动几个小时，如果发条足够结实的话。
一块从高处降落的石头在落向地面的过程中获得了一定的速度，我们知道这就等同于机械功。只要它一直保持这个速度，我们就可以通过合适的装置让它调头向上，并且用装置把石头重新举上去，最后石头着地，之后静止不动。石头与地面撞击之后速度消失，随后受速度影响的机械功也消失了。
回顾所有的例子——你们每一个人都能很轻易地从日常生活中找到更多的例子，我们会发现，在摩擦和非弹性碰撞的过程中，机械功消失了，然后产生了热。
我们提到过的焦耳的实验，将带领我们更进一步。他已经用英尺磅的方法测量了因固体和液体的摩擦力而损耗的功率的数量，而且他还确定了由此能产生多少热量，并且明确了两者之间的关系。他的实验表明，当做功产生热量的时候，是具体的做功的量产生了物理学家所说的“热量单位”的热量，也就是说，这个热量会使1克水的温度升高1摄氏度，根据焦耳最好的实验，它所需的功相当于1克重的物体降落425米所做的功。
为了让你们看看他的数据有多精确，我来列举一些他改进了实验方法后所做实验的结果。
（1）一系列铜瓶里的水受到摩擦力的影响而变热的实验：铜瓶里面有一根垂直轴，轴上的16片叶片在转动，因此而产生的旋涡又被一系列凸出的部分打破，突出部分开口很大，叶片能从中穿过。这相当于1克重的物体降落424.9米所做的功。
（2）与上面相似的两个实验：铁瓶里装着汞，而不像铜瓶装着水，它们所释放的热分别相当于1克重的物体降落425米和426.3米所做的功。
（3）两个系列的实验：用两个装了汞的锥形环相互摩擦，它们所释放的热分别相当于1克重的物体降落426.7米和425.6米所做的功。
我们发现热和功的关系是可逆的，即热也会做功。为了在可以完美控制的条件下做这个实验，应该使用永久气体，而不是水蒸气，尽管事实上后者更易做功，就像蒸汽机中的水蒸气一样。以中等速度膨胀的气体会冷却，焦耳是第一个找出它冷却的原因的人。因为气体在膨胀的过程中，它必须要克服大气和容器变形的阻力，如果它自身不能克服这一阻力，也会支持观察者的手克服这一阻力，所以气体释放的热做了功，于是它冷却下来了。相反，就像焦耳已经证明的那样，如果气体流进一个没有阻力的完美真空，它是不会冷却的；如果它的一部分冷却，其他部分变热了，在温度稳定之后，气体的温度和突然膨胀前一样。
气体被压缩的时候释放了多少热量？压缩过程需要做多少功？或者反过来，气体膨胀的时候，有多少热量被释放出来了？对于这些问题，以前的物理实验只能得出部分答案，然而最近勒尼奥已经用极其巧妙的方法得出了这些问题的答案，明确了热当量的值：
将这些数据与摩擦产生的热当量和机械功作比较后发现，这与不同的观察者在各种各样的研究后得到的数据几乎完全一致。
因此，一定量的热会变成一定量的功，这些功又会产生热，而且产生的热和最开始的热几乎一样多——以力学的观点看，它们几乎是完全相同的。热是一种新的做功形式。
这些事实让我们不再认为热是一种物质，因为它的多少不是不会改变的。运动停止的活力可以重新产生热，热可以让物体运动。我们因此推断出热本身就是一种运动，一种物体内部最小的粒子的无形运动，因此，如果运动受摩擦和碰撞的影响而停止，它实际上并没有停止运动，运动只是从大的有形的表面转移到最小的微粒上了。在蒸汽机中，热的气态粒子的内部运动转移到机器的活塞上，积累久了之后，就产生了一种合力。
但是，这种内部运动的实质可能只有用气体来推断了。它们的粒子也许向着各个方向直行而去，直到它们相互碰撞，或者撞击到容器壁，它们才会改变方向。因此气体中的粒子类似于一群蚊子，尽管单个非常小，但紧紧地挤在一起。这个假说经过克罗尼格、克劳修斯和麦克斯韦的发展，很好地说明了气体的各种现象。
以前的物理学家认为热量无非是热运动的推动力，只要它没有转换成其他形式的功或者发生改变，它就会一直不变。
现在我们来看看另一种能做功的自然力——化学功，它就是火药和蒸汽机做功的根本原因，因为蒸汽机做功消耗的热量来源于碳的燃烧，也就是说，这是一个化学过程。煤的燃烧是碳与空气中的氧的化合，它在两种物质的化学亲和力的作用下燃烧。
你们也许认为这种力是两者之间的引力，然而，只有这两种物质的最小粒子靠得最近的时候，这种力才会以一种非凡的力量作用于它们。燃烧的时候，这种力就会起作用，碳原子和氧原子会相互撞击然后紧紧地粘在一起，形成一种新的化合物——碳酸，这是一种你们都知道的气体，它会从正在发酵或者已经发酵了的液体中冒出来——从啤酒和香槟中冒出来。现在，碳原子和氧原子之间的引力做的功就像地球的引力对一个升起的重物做的功一样大。当重物落到地面的时候，它会产生剧烈的震动，一部分震动会像声波一样传到附近，一部分会以热量的运动保留下来。我们可以从化学反应中得到相同的结果。当碳原子和氧原子相互碰撞的时候，新形成的碳酸的粒子一定在进行着剧烈的分子运动——那就是热量的运动，而且事实确实如此。1磅的碳与氧气燃烧后生成碳酸，释放的热量足以使80.9磅的水的温度从冰点升至沸点。就像重物一样，不管降落得慢还是快，其降落时都会做功；不管燃烧得快还是慢，不管是立即燃烧还是在一系列反应之后才燃烧，碳燃烧产生的热量一样多。
碳燃烧后产生了一种气态物质——碳酸，碳燃烧之后很快就变得炽热了。当它的热传导到附近之后，所有参与反应的碳和氧都在碳酸中了，而且，它们的亲和力与之前一样强大，但是，后者的引力现在只限于让碳原子和氧原子结合，它们再也不会产生热量或者做功，就像一个降落的重物，重物如果不再次受到外力的影响，就不会升高。碳燃烧后，我们不会再费心思去保留碳酸，碳酸对我们无益，我们得尽快把它从屋子里的排气管中排出去。
然后，其还有可能把碳酸的粒子拆散，再次给予这些粒子在结合前就有的做功的能力，就像我们将重物从地面升起来，就能恢复重物的潜力。这确实是可能的，我们之后就会知道它在植物生命体内是怎样发生的，它也会受无机过程的影响，尽管这种影响是间接的，对此的解释将会让我们的探索更进一步。
然而，这可能会轻易地、直接地体现在另一种元素上——氢，氢能像碳一样燃烧。氢和碳一样，是所有可燃的植物的成分之一，它也是一种气体的重要组成成分，这种气体可以用来照亮我们的街道和房间。在游离状态下，氢也是气体，在所有气体中最轻，燃烧的时候发出微弱而明亮的蓝色火焰。在燃烧过程中，也就是在氢氧的化合作用中，大量的热被释放出来。一定重量的氢气燃烧释放的热量是等重的碳释放的热量的四倍。氢燃烧的产物是水，水里面的氢原子和氧原子已经完全饱和，因此水不会进一步燃烧。氢原子对氧原子的亲和力就像碳原子对氧原子的亲和力一样，在燃烧的时候起作用，并释放出热量；在燃烧后生成的水中，氢原子和氧原子的亲和力还像之前一样，但是氢原子和氧原子做功的能力却消失了。因此，如果氢元素和氧元素要发生新的反应，它们一定又会分离，它们的原子会分离。
我们可以在电流的帮助下做到这一点。在这个仪器（图100）中，两个玻璃容器里装有酸性水a和a1，中间有一块用水浸湿了的密孔板将其隔开，两边都是铂丝k，它们连接金属板i和i1。电流一旦通过铂丝k，传到水中，你们就会看见气泡从金属板i和i1中冒出来。这些气泡是水的两种元素，一种是氢元素，另一种是氧元素。这些气体从管g和g1中流出来。等到容器的上方和管里都充满了气体的时候，我们可以在一边点燃氢气。氢气燃烧了并伴有蓝色的火焰。我把闪着火光的纸捻移到另一个管口，它绽放出火焰，就像与氧气产生的反应。它在氧气中的燃烧比在大气中的燃烧更剧烈，因为大气中氧气的体积只占大气总体积的五分之一。
我把一个装有水的玻璃烧瓶放在氢气火焰的上方，燃烧生成的水凝结在烧瓶上。
我把一根铂丝放在几乎没有发光的火焰上，它燃烧得多么剧烈！在大量的氢气和氧气的混合物中——它们是从之前的实验中释放出来的——这几乎不可熔的铂丝熔化得差不多了。在电流的作用下从水中分解出来的氢气与氧气重新结合之后，又产生热量了——因为它做功的能力，它重新获得了对氧气的亲和力。
我们现在已经认识了一种新的做功物质——能分解水的电流，这种电流可以由蓄电池组产生（图101）。这四个电池中的每一个都蓄有硝酸，里面有一个致密的空心碳圆柱；碳柱的中间是一个装有白黏土的圆柱单穿孔导管，里面是硫酸；硫酸中浸泡着一根锌柱；一个金属环将每一根锌柱和下一个电池里面的碳柱连接起来，最后一根锌柱n与分解水的仪器的一块金属板相连，第一根碳柱p与仪器的另一块金属板相连。
现在这个电流设备的导电线路连接好了，水开始分解，同时，光伏电池组中的电池在发生一种化学反应。锌从周围的水中分解出氧，并缓慢地燃烧，从而有了燃烧产物氧化锌，然后再和硫酸相结合——因为它们有一种强大的亲和力，从而生成硫酸锌，这是一种盐，会在液体中溶解。而且，这些氧气是从碳柱周围的硝酸中由水分解出来的。硝酸里水很多，而且很容易就释放出氧气。因此，在蓄电池组中，锌与硝酸中的氧气燃烧之后生成了硫酸锌。
当燃烧的另一种产物——水——又分解后，新的燃烧又开始了——锌的燃烧。当我们在那边重新生成能够做功的化学亲和力的时候，它在这边就消失了。电流和之前一样，只是一种载体，它将锌与氧气、酸结合的化学力转移到正在分解的电池中，并且这会阻止氢气和氧气的化学力。
在这种情况下，我们能重新得到失去的功，但是只能通过另一种力得到，就是氧化锌的力。
用电流的方式，我们已经用化学力阻止了化学力。但是，如果用一个磁电机来产生电流（图102），我们也能用机械力达到同样的目的。我转动手柄，缠绕了铜线的电枢RR1在马蹄形磁铁的磁极前面旋转。在这些线圈里，电流产生了，从a端流到了b端。如果把这些线的末端与分解水的仪器相连，我们会得到氢气和氧气，尽管比前面我们用电池得到的少很多，但是这个过程很有趣，因为手转动轮的机械力做的功被用来分离化合元素。蒸汽机将化学力转化为机械力，磁电机则把机械力转化为化学力。
电流的使用揭示了各种自然力量之间的关系。我们已经用电流把水分解成各种元素，我们也能分解其他的化合物。另外，在普通的蓄电池组中，电流是由化学力产生的。
电流通过的导体都会产生热，我把一根细铂丝拉在蓄电池组的两端（n，p）（图101），铂丝被点燃，最后熔化了。另外，在热电元件中热也能产生电流。
铁靠近通电的铜线圈就会有磁性，然后吸住其他的铁，或者是放置好了的磁钢，于是我们得到了机械作用，因此它被广泛地应用，比如用在电报机中。图103是三分之一正常体积的摩尔斯电报机，它的主要部分是一个马蹄形的铁芯，缠绕着铜线圈b b，在这上面是一个小的磁钢c c。当电报线中有电流并从线圈b b中通过的时候，磁钢c c就被吸住。磁钢c c牢牢地装在杆D D上，杆的另一端是一支铁笔，笔能在纸带上留下符号。只要c c受到电磁的吸引，纸带就会在发条装置的带动下转动。反过来，如果改变线圈b b中铁芯的磁力，我们也能从中得到电流，就像我们在磁电机（图102）中得到电流一样。在磁电机的线圈中有一个铁芯，靠近大的马蹄形磁铁之后，铁芯的两端中有时这一端被磁化有时那一端被磁化。
我不会举更多此类的例子了，在接下来的讲座中，我们还会碰到。让我们回顾一下前面所讲的，我们会意识到其中的规律是普遍存在的。
一个上升的重物会做功，但在做功的时候它需要降落，而且，当它最后落在地面上的时候，它的重力和之前一样，但它却再也不能做功了。
一根拉紧的弹簧会做功，但做功之后它就会变松弛。
一个移动物体的速度能做功，但做功之后它就会静止。
热能做功，在做功中热会消失。
化学力可以做功，但做功会耗尽这种化学力。
电流能做功，但为了使它做功，我们需要耗费化学力。或者机械力，或者热量。
依此类推，我们可以推及所有的事物。做功的能力在做功的过程中被消耗，直到耗尽，这是所有已知的自然过程的共同特征。
我们已经看到，如果一个重物降落的时候没有做功，那么它既不会有速度也不会产生热。我们可以用降落的物体来驱动磁电机，之后电流就会产生。
我们已经知道，当化学力发挥作用的时候，它会产生热，或者产生电流，或者做机械功。
我们已经知道热会转化为功，在一些仪器（热电池）中会产生电流。热量能够直接分离化合物，因此当我们燃烧石灰石的时候，热量会使碳酸从石灰石中分解出来。
因此，不管一种自然力的做功能力是什么时候消失的，它都转换成了另一种活动。甚至在无机自然力中，在其他能够做功的自然力的帮助下，我们可以让每一个无机自然力都处于一种活跃的状态。现代物理学家已经揭开了无数自然力之间的联系，其联系是如此之多，使得每一个问题都可能有几种迥然不同的解决方法。
我们习惯于测量机械功，我也讲过怎样发现热当量。化学功的当量又能通过化学功产生的热量来测量。类似的是，其他自然力的当量也可以用机械功的术语来表示。
实验证明，如果一定量的机械功消失了，会有等量的热或者化学力产生；相反，如果热量消失了，我们会得到等量的化学力或者机械力；如果化学力消失了，会产生等量的热或者机械功。因此，在各种无机自然力的交替过程中，做功的力以一种形式消失，但随后又以其他形式等量再现，力既没有增加也没有减少，而是一直保持不变。我们接下来会看到无机自然力的过程也遵循同样的规律，这是已经得到了检验的事实。
因此，在整个宇宙中，所有能做功的力，无论怎样变化，都会永远存在。自然界中的所有变化都是这样的，力的形式和位置可以改变，它的多少却不会改变。宇宙中永远存在大量的力，它不会因外界的影响而增加或减少，虽然它会变化。
大家看到了，我们是如何从实用的技术功，被引导到一个普遍的自然规律的。该规律体现在所有的自然过程中，它并不受限于人类的实用目标，而是表达了所有自然力的一种极其普遍而又独特的性质。从普遍性来讲，它可以和物体质量不变的规律、化学元素不变的规律相并列。
同时，它也解决了在前两个世纪讨论过很多的一个现实问题——永动的可能性问题，对于这个问题前人做过无数实验，制作了无数仪器。正是这个规律让我们明白了“没有外力时一台机器可以一直做功”的可能性。这个问题解决了，人类将得到巨大的收获。一台机器只要具有水蒸气的所有优势，就不需要耗费燃料。做功就是财富，一台不需外力就能做功的机器，和一台生产金子的机器一样贵重。因此长期以来这个问题被摆在了炼金的位置，而且使许多人为之困惑。永动不可能在当时已知的机械力的作用下实现，20世纪数学力学的研究成果可以证明这一点。但是，即使热量、化学力、电力和磁力共同作用，永动也是不可能的。力的守恒定律第一次彻底否定了永动的可能性，因而这个定律也可以这样表达：永恒运动是不可能的，力不可能凭空产生，它必须耗费某种东西。
只有亲眼看见这个规律在自然界的各个进程中的运用，我们才会评定这个规律的重要性。
今天我讲到的动力的来源问题，指引我们去探索在实验室和工厂里无法涉及的领域，去探索那些在地球乃至宇宙的生命中发挥效力的伟大作用。只有下雨或者下雪之后，山上才有充足的水源，然后水才会从山上流下，形成落水之力。所以大气中一定得有水汽，水汽只会受到热的影响，而这些热则来源于太阳。蒸汽机所需的燃料来源于植物，不管是存在于我们周围的植物，还是在地球深处已经形成煤炭矿藏的灭绝了的植物。人类和动物的力必须补充营养才能恢复，而所有的营养最终都来源于植物王国。
继续探索动力的来源时，我们不得不依靠大气的气象过程，总的来说，是依靠植物和太阳。
——1865年2月，在海德堡和莱茵河畔的法兰克福所做讲座的内容
冰和雪的世界，就如附近的阿尔卑斯山脉的山巅一样，如此庄严，如此孤寂，而又如此险峻，有着自己独特的魅力。它不仅引起了自然哲学家的关注，而且每年夏天都吸引了成千上万的游客来到此地，寻求精神的愉悦和身心的休养。当一些人满足于欣赏蔚蓝的天空和青翠的牧场之间那晶莹剔透、闪闪发光的雪山时，另一些人则大胆地去探索这个陌生的世界，他们想去体验一种极度冒险的乐趣，想去亲身感受它的庄严。
我不会徒劳地用文字来描绘自然的美丽与宏伟，虽然它足以使阿尔卑斯的游客为之倾倒。我十分确定，你们当中的大多数人首先看到的也是这一点，或者说，你们希望看到这一点。但是我觉得，这些景色带给人的欢乐和趣味，会让你们更想去关注关于冰川世界的卓著的现代研究成果。在那里，我们看到了冰的细微的特性——这一点被看作科学的精妙之处，这些特点是冰川发生重大变化的原因。这些不成形的岩石向观察者讲述着它们的历史，历史往往会超越人类的过去，追溯到遥远的原始世界。原始的世界里，一望无际的沙漠荒地或许正无限地扩大着，于是越来越荒凉寂寥，或许充满了狂野、危险和混乱，成为破坏性力量的竞技场。因此，我只能承诺让你们简单了解一下这些现象之间的联系，我不会只给你们一些乏味的解释，而是让你们愉快地领略高山更为形象的宏伟景色，让你们对它更感兴趣乃至更为叹服。
我们先来回忆一下雪原和冰川的外貌特征。在讲主要内容之前，我给你们介绍一下有助于观察的精确测量方法。
山上越高的地方，气温就会越低。而大气就像一件暖和的外衣笼罩着地球，对太阳的明亮的射线而言，它几乎是透明的；但是对那些不易看清的热射线来说，它就不那么透明了，这些热射线来源于热的行星，其奋力向太空扩散，它们被大气吸收了，尤其是被湿润的大气。因而空气本身就变热了，并且慢慢地向太空散发吸收到的热量。和热的吸收比起来，热的消耗要慢一点，一定量的热会散布并停留在地球的表面。但是在高山上，大气的保护层要稀薄得多——地面的辐射热于是更容易散发到太空中，所以高山上的气温要比低空的低很多。
讲到这里，我必须补充一下空气的另一种性质，它的作用方式与我刚才讲的类似。在一团膨胀的空气中，热量消失了一部分，如果不能再吸收热量，它就会变冷，但是这团空气如果被压缩，就会重新得到在膨胀过程中失去的热量。举例来说，如果南风将地中海的暖空气吹到北方，并且使其沿着阿尔卑斯山脉的危岩峭壁不断上升，由于气压降低，空气膨胀，体积会增加一半，于是它大大地冷却下来了——平均每上升11000英尺，气温就会下降18～30摄氏度，这还要看它是湿润的还是干燥的——由此它会以雨雪的方式降下大部分的水汽。如果同样的风吹到山的北面形成焚风，使它到达山谷和平原，它又会被压缩，再次变热。因此，同样的气流，在山脉两侧的高地上极其寒冷，可以降雪，在平原上却是暖的，甚至可以热得让人难以忍受。
因为这两个原因，海拔越高，气温越低，这很明显地体现在我们附近较低的山脉上。在中欧，上升480英尺，气温大约下降1摄氏度，冬天下降得少一点——上升720英尺气温下降1摄氏度。在阿尔卑斯山脉的高处气温的差异更大，因此冬天降落在山脉高处的顶峰和斜坡上的积雪到夏天也不会融化。这条线上终年都覆盖着雪，这就是著名的雪线。在阿尔卑斯山脉的北面雪线有8000英尺高，在南面雪线大约有8800英尺高。在晴朗的日子，雪线以上非常暖和，太阳的辐射在雪的反射下愈加强烈，经常让人难以忍受。因此习惯久坐的游客除了目眩——这就需要戴墨镜和面纱来保护眼睛了，脸和手还经常被严重晒伤，结果导致皮肤炎，脸上严重水肿。强烈阳光的好处是阿尔卑斯山上的小花开得很鲜艳，花香也浓烈，花儿们在雪原间隐蔽的岩石缝中傲然怒放。虽然阳光的辐射很强烈，但是雪原上的气温只升到了5摄氏度，最高也只能升到8摄氏度，不过这已足够融化大量表层的雪，然而，要使那么多寒冷日子里降落的雪融化，暖和的日子还是太少了。因此，雪线的高度不仅要看山坡的温度，还必须看一年的降雪量。比如，喜马拉雅山脉湿润、温暖的南坡的雪线就比更加寒冷也更加干燥的北坡的雪线低。由于西欧湿润的气候，阿尔卑斯山脉的降雪量非常大，因此冰川的数量多，其范围也相当大，在这一点上地球上几乎没有山脉可以与之相比。据我们所知，这样一个冰川世界只会在以更高的高度而闻名的喜马拉雅山脉上形成、在气候更加寒冷的格陵兰和挪威的北部形成、在冰岛的一些岛屿上形成、在水分充足的新西兰形成。
因而雪线以上的地方就有这样的特征：一年里降落在地表的雪在夏天并没有融化太多，而是在一定程度上被保留了下来，夏天没有融化的雪继而在秋天、冬天和春天新降的雪的覆盖下免受太阳的照射，这些新降的雪在来年夏天也不会融化完，因此，年复一年，新的雪层不断在旧的雪层上形成。在积雪的陡峭的悬崖上，雪的内部结构暴露了出来，规则的年轮清晰可见。
但是很显然，这种雪层的累积不会一直继续下去，因为如果是这样的话，雪山的高度会逐年增加。雪累积得越多，山坡就越发陡峭，较低和较早的雪层所承受的压力就会越大，并且会产生位移。最后会是这样的：雪山太陡峭了因而新降的雪不能停在上面，而且由于对下面雪层的压力太大，它们不会一直保持在原来的位置，因此，一部分之前就降落在雪线以上，没有融化的雪，会被迫离开原来的位置，寻找新的归宿，它们会找到雪线以下的低的山坡，尤其是溪谷，在那里，受暖空气的影响，它们最终会融化，漂流而去。雪从原来的位置下降，有时候是以“雪崩”的形式突然出现，但通常是以“冰川”的形式逐渐下降。
因此，我们必须辨别冰原的两个不同的部分，一个部分是最初降落在雪线以上的，在瑞士被称为“万年雪”的积雪，它们尽可能地覆盖着山坡，使溪谷宽阔的水壶形的上游堆满积雪，形成了雪原或者“雪海”；另一个部分是冰川——在提洛尔语中被称作冰原，作为雪原的延伸部分，其经常在雪线下延伸英尺，而且雪原上松软的雪又会变成冰川上透明的硬邦邦的冰。因此，冰川的英文名字——glacier，是由拉丁文glacies、法文glace和glacier派生而来的。
歌德将冰川的外表很有特点地比作冰流。冰川一般都沿着溪谷的深处，横贯整个溪谷，从雪原一直延伸到一个非常高的高度，因此它们会蜿蜒曲折、高低起伏地流过溪谷。两股冰流经常在溪谷的汇合之处相遇，然后合成一股冰流，充满它们漂流而过的溪谷。在某些地方，这些冰流会形成非常平滑连贯的表面，但是它们经常裂开，从表面和裂口处泛出无数大大小小的水流，这些水流和冰融化后的水合成一股水流，流过冰的一个拱形通道，汹涌而出，流向远方。
冰的表面有许多石块和岩石的碎片，它们在冰的较低的一边堆积起来，形成巨大的墙，这就是冰川的“侧碛”和“终碛”。其他的岩石堆，或者说“中碛”，在冰川的表面纵向延伸，形成长长的有规则的黑线。中碛通常起始于两股冰流相遇并汇合的地方，这个地方的中碛是两股汇合的冰流的侧碛的延续。
中碛的形成在温特阿尔冰川图中很好地呈现出来了（图104）。从后面来看，这两条冰流来源于不同的山谷，右边的那条来源于施雷克霍恩峰，左边的那条则来源于芬斯特腊尔霍恩峰。在它们汇合的地方，图中间的石墙下倾形成中碛。在图左边，我们看到冰柱上有大块的岩石，这就是冰桌。
冰海是瑞士最大的冰川，虽然它的长度不及阿莱奇冰川。它直接覆盖了勃朗峰北面的雪原，从而形成。雪原中的大汝拉峰、艾吉耶·韦尔特峰（图105和图106中的a处）、巨人峰（b）、南峰（c）和杜鲁峰（d）只比欧洲最高的山脉低英尺。这些雪原位于山坡上，位于山脉的盆地之间，聚集了三条主要冰流。这三条冰流分别是巨人冰川、勒夏德冰川和塔勒福荷冰川，它们汇合形成了冰海，就像示意图中那样。冰海以2600英尺和3000英尺的宽度流进沙穆尼山谷之中，那里有一条湍急的河流——艾伟伦河，它从较低的k端（图106）流进阿尔沃河。冰海最低的峭壁，从沙穆尼的山谷中就可以看见，在这峭壁下方形成了一道大冰瀑——就是人们通常所说的布瓦冰川。
为了讲得更详细一些，我从《福布斯》上拷贝下来沙穆尼的冰海示意图（图105）。
沙穆尼的大多数游客从盂坦弗特的小旅馆出发后只会涉足冰海最低的部分，在头晕之前，他们穿过冰川，到达小房子“沙波”（n）。从示意图中可以看出，他们只穿过了极小一部分冰川，但是这条路依然能展示出壮丽的风景，也能体现出冰上短途旅游的困难。勇敢一些的游客沿着冰川向上面的贾丁攀爬，贾丁是一个岩石峭壁，它把塔勒福荷冰川的冰流分成了两个部分。勇敢的游客还会爬得更高，爬到巨人齿山（海平面在11000英尺以上），然后从奥斯塔山谷在意大利的那一边下去。
冰海的表面有四堵岩石墙，这就是我们所说的内侧碛。第一堵墙，离冰川最近，形成于塔勒福荷冰川的两个狭长地带与贾丁的较低处合拢的地方；第二堵墙，形成于冰川与勒夏德冰川的汇合处；第三堵墙，形成于第二堵墙与巨人冰川的汇合处；第四堵墙，则形成于岩架的顶部，这个岩架从巨人峰一直延伸到巨人冰川的小瀑布（g）。
为了让大家了解冰川的斜坡和瀑布，根据《福布斯》采用的标准和测量方法，我在图106中给出了以右岸为视角的冰川纵截面图。这些字母所代表的和图105中的相同，p是勒夏德峰，q是诺尔峰，r是塔库峰，f是巨人齿山，它是环绕着雪原的高高的岩石墙上的最低点，雪原下接冰海。基线对应的长度是9英里多一点，右边的海拔是以英尺计算的。这幅示意图清晰地显示了在绝大多数地方，冰川的瀑布是多么的小，我们只能大约估计它的深度，因为到目前为止我们还不知道它的确切深度，但是，从下面的观察中我们可以看出它非常深。
在塔库峰的垂直岩墙的底部，巨人冰川的边缘向前移动，形成了一堵140英尺高的冰墙，这应该就是冰川边缘的上游的一个狭长部分的深度。冰川中央的深度以及三条冰川汇合之后的深度一定深得多。在汇合点下面的某个地方，廷德尔和赫斯特都探测过一个冰川壶穴，即一个洞穴，通过这个洞穴表面的冰水都会退去，洞穴有160英尺深。而一些导游则断言他们曾经看到过一个350英尺深的类似的洞穴，深不见底。一般来说，从岩石墙形成的深槽形和类似峡谷的山谷底部来看，对于一个3000英尺宽的冰川，平均只有350英尺深是不可能的，而且从冰川的移动方式来看，裂缝下面一定有一块很厚的相连的冰。
参考熟悉的地方，我们会更加明白它的量级。我们可以想象从海德堡山谷到莫尔肯库尔或者更高的地方都是冰，因此整个小镇，包括尖塔和城堡都深深地埋在下面。再想象一下，冰的高度逐渐增加，从山谷口到内卡尔格明德，就相当于冰海下游汇合的冰流；或者，不说莱茵河和宾根的纳厄河，假设两条冰流汇合填满莱茵河谷，齐到河谷的上面，且远至我们视线的尽头。汇合后的冰流向下延伸，流经阿斯曼斯豪森和莱因斯坦堡，这条冰流也相当于冰海的大小。
图107是壮丽的戈尔内冰川的视图，更大的冰川上冰的体积由此也可想而见。
绝大多数冰川的表面都很脏，因为上面有很多卵石和沙子，卵石和沙子堆积得越多，它们之间的冰和下面的冰就会融化。表面的冰已经有一部分受到了损害，因此变脆，易碎。冰的裂缝深处晶莹剔透、洁白无瑕的物体，是平原上的任何物体都不能与之媲美的，透过它纯洁的表面我们可以看见一片蔚蓝，就像天空的颜色，只是带了一点绿。这些裂缝大大小小的都有，里面洁白的冰清晰可见。最开始的时候，其只是一个小裂缝，刀都不能插入，后来逐渐大成裂口，有几百英尺甚至几千英尺长，有20英尺、50英尺甚至100英尺宽，而一些裂缝深不可测。垂直的冰晶形成了深蓝色的墙，在滴下来的水的水汽下熠熠闪光，成为大自然最美丽的景色。但是同时，它也充满了危险，只有那些完全不会眩晕的游客才能尽情地享受其中的乐趣。游客必须知道在穿上钉鞋、拿上尖登山杖之后怎样站立在滑溜的冰上，怎样站立在笔直的峭壁的边上，因为峭壁底部是无法知晓的深渊。穿越冰川时，游客一定会遇到这些裂缝。经常有游客穿过冰海的下游，我们也会沿着险峻的冰岸旅行，裂缝有时只有4～6英尺宽，两边都是这种蓝色的深渊，许多无所畏惧的游客沿着陡峭的岩石斜坡慢慢地移动，他们感到心都沉下去了，眼睛死盯着豁开的裂谷，因为他们必须认真走好每一步。但是，这些蓝色的裂口暴露在日光之下，绝不是冰川最危险的地方。因为我们的确是组织好了，所以我们可以躲过遇到的危险，但是更令人害怕的不是已知的危险，而是我们尚未看见的危险。冰川的裂口就是这样一种危险。冰川的下面部分在我们面前裂开了，这会危及生命安全，因此我们全神贯注地去应付它，所以事故很少发生。相反，冰川的上面部分，表面覆盖着雪，当雪积得很深的时候，雪就呈拱形覆盖在较窄的裂口上，宽4～8英尺，而且形成雪桥，遮住了裂口。于是游客只能看见面前美丽的平坦的雪面。雪桥如果足够厚，就能支撑一个人，但雪桥并不总是这样厚，有时甚至小羚羊都会掉下去。如果两三个人用绳索间隔10英尺或12英尺捆在一起，也许能化险为夷，因为如果其中一个人掉进裂缝里，另外两个人会抓住他，把他拉上来。
在某些地方，尤其是在冰川较低的那一端，人很容易掉进裂缝里。罗森劳依著名的格林德瓦冰川和其他一些地方，都被砍出了踏脚处，铺了木板，这样就方便多了。只要不怕这里滴个不停的水，任何一个人都可以来探索这些裂缝，欣赏洞穴纯净的水晶冰壁。这种美丽的蓝色就是非常纯净的水的自然色，冰和水都是蓝色的，但颜色不是很深，只有厚度为10～12英尺的冰层才能显示出蓝色，日内瓦湖和加尔达湖的湖水就有这种漂亮的颜色。
冰川并非到处都裂开，在冰遇到障碍的地方，在大冰流的中间，因为运动一致，其表面十分坚固。
图108是冰海在蒙唐维尔特水平部分中的一个，后面有一个小房子。在格里斯冰川，冰海形成了从上罗纳河谷到土佐谷的通道，在上面甚至可以骑着马通过。我们发现，冰川从倾斜的冰床到一个更陡峭的斜坡的过渡地方，是冰川表面最大的干扰。冰在那里沿着各个方向碎成大量冰块，冰块融化后常常会变成尖锐的山脊和角锥体，随着时间的流逝，它们会掉进中间的裂缝里，发出巨大的轰鸣声。从远处看，这个地方就像一道天然的冰瀑布，因此被叫作小瀑布，这种小瀑布在图105中l处的塔勒福荷冰川可以看到，在g处的巨人冰川也可以看到，而三分之一的小瀑布组成了冰海的下端。那也就是已经提到的布瓦冰川，它直接从沙穆尼山谷的槽谷上升到1700英尺高，相当于海德堡的王座山的高度，这在任何时候都让沙穆尼的游客为之叹服，图109是它裂开了的冰块。
对于外部结构和表面，我们已经将冰川和水流做了比较，然而，相似的不仅是外表，冰川的冰的确像水流一样流动，只是流动得更慢。我曾试图解释冰川的起源，经过深思熟虑，我认为情况就是如此，因为，低部那一端的冰逐渐消融的时候，如果山顶上降雪形成的冰没有从上面压下来，冰川就会全部融化。
但是通过仔细的观察，我们也许会认为冰川实际上是移动的。山谷的居民对冰川已经司空见惯，经常从上面越过，同时还用大块的冰作标志，通过标志的逐年下降，来判断冰川的移动。沙穆尼冰海较低的那一半逐年移动，从400英尺移动到600英尺，这样的位移最终总会被人察觉的，尽管它位移的速度很慢，尽管冰川的裂缝和岩石杂乱无序。
除了岩石和石头，其他偶然落在冰川上的物体也会随冰川一起移动。1788年，著名的吉尼维斯·索绪尔和他的儿子以及一群导游、搬运工人在巨人齿山待了16天。他们从巨人冰川那边的小瀑布的岩石下来的时候，留下了一个木梯。那是在诺尔峰的山脚，冰海第四个夹层开始的地方，因此那条线标志了冰开始移动的方向。1832年，即44年之后，福布斯和一些游客在冰海的三条冰川汇合处的下方发现了木梯的碎片，从这同样一条线（图105的s处）可以推断，这些冰每年平均下降375英尺。
1827年，修基为了进行观察，在温特阿尔冰川的中碛修了一个棚屋，棚屋的具体位置先是由修基自己决定的，后来由阿加西决定。他们发现棚屋每年都会向下移动，14年以后，即1841年，它降低了4884英尺，因此它每年平均移动了349英尺。阿加西后来发现他自己的棚屋——他建造在同一块冰川上的——移到了另一个稍微小一点的冰川上了。观察这些需要很长的时间，但是如果能用精确的测量工具——比如经纬仪——来观测冰川的运动，那么就不必花上几年的时间，只用一天就足够了。
目前，一些观察家，尤其是福布斯和廷德尔，已经用这种方法进行了观测。他们发现，在夏天，冰海的中间一天会移动20英寸，而较低的瀑布一天的移动量多达35英寸；冬天的移动速度只有夏天的一半；冰川的边缘和下层同冰川表面的正中部分相比，移动速度就慢得多了。
冰海上游的移动也相当慢，巨人冰川一天移动13英寸，勒夏德冰川一天只能移动9.5英寸。一般情况下，不同冰川的移动速度大不相同，主要是因为它们的大小、倾斜度、降雪量和其他条件不同。
如此多的冰慢慢地、轻轻地向前移动，是一般的人无法察觉到的，若一个小时移动1英寸，巨人齿山的冰到达冰海的下游要用120年。但是，冰以一股不可控制的力量向前移动，在这种力量面前，人类所能设置的障碍都轻如鸿毛。它的移动痕迹可以从山谷的花岗岩中清晰地看见。几个多雨的季节之后，大量的雪降落在高处，冰川的基底就会向前移动，它不仅会压碎住宅，折断大树的树干，而且还会推动漂砾墙，这些漂砾墙不受任何阻碍就形成了它的终碛。真正壮观的风景就是冰川的移动，它如此轻柔，却又如此强劲，不可抗拒。
我得提一下，从冰川移动的方式我们可以很容易地推断出冰隙（冰川的裂缝）将会在哪里、沿着怎样的方向形成，因为不是冰川所有的冰层都以同样的速度向前移动，一些会落在后面，比如冰川的边缘和中间。因此，我们如果观察边缘一点与中间一点的距离，会发现它们都在同一条线上，但是，冰川的中间后来}