低碳能源課程講座(一)

1、p自然法則p蒸汽機帶來的學(xué)問 p妖從來都沒贏過p墓碑上的公式p社會越來越發(fā)展，嚴(yán)重的能源與環(huán)境社會越來越發(fā)展，嚴(yán)重的能源與環(huán)境挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)？p在時間長河中只能淌過一次？生命流逝不在時間長河中只能淌過一次？生命流逝不可可逆轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)？p生活越來越生活越來越復(fù)雜復(fù)雜，越來越不確定？，越來越不確定？p省時省力的發(fā)明越來越多，擁有的省時省力的發(fā)明越來越多，擁有的時間時間卻卻越來越少越來越少？29p這些困惑或許能從熱力學(xué)原理中找到解釋p熱力學(xué)第一定律能量守恒定律p熱力學(xué)第二定律熵增的不可逆性 Jack Hokikianp 受過開明教育的人，應(yīng)該懂些；p 任何一個有點智力的人，即使沒有或幾乎完全沒有科學(xué)和數(shù)學(xué)的背

2、景，也只需要適度的努力便可以懂得。 Charles Percy Snowthe Two Cultures and the Scientific RevolutionCharles Percy Snow （ 1905.10.15-1980.7.1）英國科學(xué)家，小說家能量的概念已被證明是人類生活所有領(lǐng)域中具有最重要意義的物理學(xué)概念R. Bruce Lindsayp 惠更斯發(fā)現(xiàn)：在完全彈性碰撞運動中，一個物體的質(zhì)量乘以它移動速度平方這個量保持不變，即：p 萊布尼茲男爵稱這個量為運動物體的“活力”但有些過程（如落體）物體的活力并不保持永恒不變p 沙特萊推測能量守恒包括兩個，“活力”和“死力”兩者可以相

3、互轉(zhuǎn)換但兩者總量不變。p 拉格朗日將這個概念明確：在一個運動系統(tǒng)中的能量包括動能和勢能。死力=潛在能量（勢能）沙特萊侯爵夫人（1706 1749）她將牛頓的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理翻譯成了法文，該版本至今仍在使用。2mvC 公元前四元素/五行說1593年伽利略溫度計1695年巴本蒸汽機1705年紐可門蒸汽機1769年瓦特蒸汽機工業(yè)革命1742年攝氏溫標(biāo)1825年熱機用于輪船/火車1854年開爾文溫標(biāo)熱質(zhì)論熱運動論VS拉瓦錫1743年1794年，法國貴族，著名化學(xué)家、生物學(xué)家，被后世尊稱為近代化學(xué)之父道爾頓1766年1844年英國化學(xué)家、物理學(xué)家。近代原子理論的提出者約瑟夫普里斯特利 (1733180

4、4)，發(fā)現(xiàn)氧氣的偉大英國化學(xué)家。1766年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會會員。1782年當(dāng)選為巴黎皇家科學(xué)院的外國院士。弗朗西斯培根（1561 - 1626）羅伯特波義耳（16271691），英國化學(xué)家，化學(xué)史家都把1661年作為近代化學(xué)的開始年代，因為這一年有一本對化學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重大影響的著作出版問世，這本書就是懷疑派化學(xué)家The Sceptical Chemist，它的作者是英國科學(xué)家羅伯特波義耳。革命導(dǎo)師馬克思、恩格斯也同意這一觀點，他譽稱“波義耳把化學(xué)確立為科學(xué)”。1.1. 熱是一種物質(zhì)熱是一種物質(zhì), ,即熱質(zhì)說即熱質(zhì)說2. 熱是物體粒子的內(nèi)部運動熱是物體粒子的內(nèi)部運動 古希臘的原子論把熱描繪成一種

5、特殊的古希臘的原子論把熱描繪成一種特殊的,不可直接覺察不可直接覺察的物質(zhì)的物質(zhì);其結(jié)構(gòu)與其他的物質(zhì)一樣其結(jié)構(gòu)與其他的物質(zhì)一樣,也是由原子構(gòu)成的也是由原子構(gòu)成的;大概大概還具有一定的重量。還具有一定的重量。“熱是一種實實在在的物質(zhì)實體，一種非常微妙的流體熱是一種實實在在的物質(zhì)實體，一種非常微妙的流體”能夠滲透到所有空間并能從所有物質(zhì)中流進(jìn)流出。能夠滲透到所有空間并能從所有物質(zhì)中流進(jìn)流出。因此：這種物質(zhì)存在是物體變熱，隨著它離開物體變冷。因此：這種物質(zhì)存在是物體變熱，隨著它離開物體變冷。 歷史上歷史上笛卡爾笛卡爾、波義耳、胡克等人、波義耳、胡克等人主張這一觀點。繼主張這一觀點。繼胡克之后反對熱質(zhì)說

6、的還有胡克之后反對熱質(zhì)說的還有丹尼爾丹尼爾伯努力伯努力和和羅蒙諾索夫羅蒙諾索夫。羅蒙諾索夫關(guān)于熱理論的觀點包含在他的著作中，羅蒙諾索夫關(guān)于熱理論的觀點包含在他的著作中，1749年年發(fā)表的發(fā)表的“關(guān)于熱和冷的原因之沉思關(guān)于熱和冷的原因之沉思”“熱熱是由物質(zhì)的粒子運動而產(chǎn)生的是由物質(zhì)的粒子運動而產(chǎn)生的” 分析當(dāng)時熱質(zhì)說占優(yōu)勢的主要原因是分析當(dāng)時熱質(zhì)說占優(yōu)勢的主要原因是:當(dāng)時人當(dāng)時人們把熱現(xiàn)象和其他現(xiàn)象割裂開來研究們把熱現(xiàn)象和其他現(xiàn)象割裂開來研究,還未注意到還未注意到它們之間的相互關(guān)系和轉(zhuǎn)化它們之間的相互關(guān)系和轉(zhuǎn)化;熱質(zhì)說比熱的運動說熱質(zhì)說比熱的運動說更為簡明更為簡明,用熱質(zhì)說能很好地解釋當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)

7、的熱用熱質(zhì)說能很好地解釋當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)的熱現(xiàn)象現(xiàn)象,因此易于被人們接受因此易于被人們接受;熱質(zhì)說更能迎合熱質(zhì)說更能迎合18世紀(jì)世紀(jì)在物理學(xué)和化學(xué)研究中占統(tǒng)治地位的形式主義傾在物理學(xué)和化學(xué)研究中占統(tǒng)治地位的形式主義傾向向. 另外另外牛頓牛頓“不臆造假說不臆造假說”的思想的思想還很有影還很有影響響,大多數(shù)物理學(xué)家不愿接受當(dāng)時還看不見摸不大多數(shù)物理學(xué)家不愿接受當(dāng)時還看不見摸不著的比較復(fù)雜的分子運動假說著的比較復(fù)雜的分子運動假說. 1818世紀(jì)末世紀(jì)末, ,熱質(zhì)說受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)熱質(zhì)說受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn), ,致力于推翻熱的致力于推翻熱的物質(zhì)說的物理學(xué)家是倫福德伯爵物質(zhì)說的物理學(xué)家是倫福德伯爵本杰明湯普森（拉

8、姆福德伯爵）Benjamin Thompson(Rumford),17531814英籍物理學(xué)家p自然法則p蒸汽機帶來的學(xué)問 p妖從來都沒贏過p墓碑上的公式16951695年，荷蘭物理學(xué)家惠更斯的學(xué)生和助年，荷蘭物理學(xué)家惠更斯的學(xué)生和助手手法國人巴本法國人巴本（1647-17141647-1714）第一個發(fā)明了）第一個發(fā)明了汽缸有活塞的蒸汽機，用以取水和推磨。汽缸有活塞的蒸汽機，用以取水和推磨。雖然結(jié)構(gòu)不完善，但雖然結(jié)構(gòu)不完善，但它是第一個蒸氣在汽它是第一個蒸氣在汽缸內(nèi)作功的機器缸內(nèi)作功的機器巴本巴本 在實驗時，他先將汽缸的底部注入少量的水，再把汽缸放在實驗時，他先將汽缸的底部注入少量的水，再把

9、汽缸放到火上加熱。當(dāng)汽缸內(nèi)的水沸騰后，蒸汽即推動活塞慢慢到火上加熱。當(dāng)汽缸內(nèi)的水沸騰后，蒸汽即推動活塞慢慢上升；然后，又把火從汽缸下抽掉，汽缸內(nèi)的蒸汽即慢慢上升；然后，又把火從汽缸下抽掉，汽缸內(nèi)的蒸汽即慢慢冷凝。由于蒸汽的冷凝，汽缸內(nèi)產(chǎn)生真空，在大氣壓力的冷凝。由于蒸汽的冷凝，汽缸內(nèi)產(chǎn)生真空，在大氣壓力的推動之下，活塞又慢慢下降。推動之下，活塞又慢慢下降。 通過這一實驗，使巴本認(rèn)識到，利用蒸汽壓力、大氣壓力、通過這一實驗，使巴本認(rèn)識到，利用蒸汽壓力、大氣壓力、真空作用的交互作用，完全可以推動汽缸內(nèi)的活塞及其活真空作用的交互作用，完全可以推動汽缸內(nèi)的活塞及其活塞桿作往返的直線運動。而這種運動所產(chǎn)

10、生的機械動力可塞桿作往返的直線運動。而這種運動所產(chǎn)生的機械動力可以帶動其他機械的運動。以帶動其他機械的運動。巴本巴本 在發(fā)明帶有活塞的蒸在發(fā)明帶有活塞的蒸汽泵之后，考慮到蒸汽泵之后，考慮到蒸汽壓力大可能會使汽汽壓力大可能會使汽缸爆炸，巴本又在缸爆炸，巴本又在16801680年發(fā)明了安全閥。年發(fā)明了安全閥。 這樣，第一臺可以把這樣，第一臺可以把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的實驗型的蒸汽泵，就實驗型的蒸汽泵，就于于16801680年在英國試驗?zāi)暝谟囼灣晒α?。成功了。英國皇家工英國皇家工程隊的軍事工程程隊的軍事工程師發(fā)明第一臺用師發(fā)明第一臺用于生產(chǎn)的蒸汽機于生產(chǎn)的蒸汽機16981698年年

11、英國人賽維利英國人賽維利（1650-17151650-1715）也提出了類似的機器。）也提出了類似的機器。 繼巴本之后，在近代蒸汽繼巴本之后，在近代蒸汽動力技術(shù)的發(fā)展中作出重要貢動力技術(shù)的發(fā)展中作出重要貢獻(xiàn)的是英國機械工程師賽維利獻(xiàn)的是英國機械工程師賽維利（T.SaveryT.Savery 1650-1715 1650-1715）。）。 賽賽維利的汽缸與巴本的汽維利的汽缸與巴本的汽缸很不相同。賽維利的汽缸未缸很不相同。賽維利的汽缸未采用活塞，只是在其中接有吸采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和進(jìn)汽管。水管、排水管和進(jìn)汽管。 當(dāng)蒸汽從鍋爐經(jīng)過汽管進(jìn)入汽缸后當(dāng)蒸汽從鍋爐經(jīng)過汽管進(jìn)入汽缸后即使這

12、部分蒸汽冷卻，而冷卻后造成的即使這部分蒸汽冷卻，而冷卻后造成的真空就把礦井中的水從吸水管中吸進(jìn)來，真空就把礦井中的水從吸水管中吸進(jìn)來，此時再將蒸汽注入汽缸，這部分進(jìn)入汽此時再將蒸汽注入汽缸，這部分進(jìn)入汽缸的蒸汽所產(chǎn)生的壓力就把水從排水管缸的蒸汽所產(chǎn)生的壓力就把水從排水管中排放出來。后來，賽維利研究了巴本中排放出來。后來，賽維利研究了巴本的蒸汽泵，在他的蒸汽泵中也采用了安的蒸汽泵，在他的蒸汽泵中也采用了安全閥。全閥。紐科門紐科門 紐科門紐科門( (NewcomenNewcomen，Thomas)Thomas)是英是英國工程師，蒸汽機發(fā)明人之一。他發(fā)明國工程師，蒸汽機發(fā)明人之一。他發(fā)明的常壓蒸汽機

13、是瓦特蒸汽機的前身。的常壓蒸汽機是瓦特蒸汽機的前身。 紐科門幼年僅受過初等教育，少年時紐科門幼年僅受過初等教育，少年時代做過鍛工。代做過鍛工。1717世紀(jì)世紀(jì)8080年代同卡利合伙年代同卡利合伙經(jīng)營鐵器，后來共同研制蒸汽機，并于經(jīng)營鐵器，后來共同研制蒸汽機，并于17051705年取得年取得“冷凝進(jìn)入活塞下部的蒸汽冷凝進(jìn)入活塞下部的蒸汽和把活塞與連桿聯(lián)接以產(chǎn)生運動和把活塞與連桿聯(lián)接以產(chǎn)生運動”專利專利權(quán)權(quán)。 此后，紐科門繼續(xù)改進(jìn)蒸汽機，于此后，紐科門繼續(xù)改進(jìn)蒸汽機，于17121712年首次制成可供年首次制成可供實用的大氣式蒸汽機，被稱為紐科門蒸汽機。實用的大氣式蒸汽機，被稱為紐科門蒸汽機。 這臺

14、蒸汽機的汽缸活塞直徑為這臺蒸汽機的汽缸活塞直徑為30.4830.48厘米厘米, ,每分鐘往復(fù)每分鐘往復(fù)1212次，功率為次，功率為5.55.5馬力。但熱效率低，燃料消耗量大，僅適用馬力。但熱效率低，燃料消耗量大，僅適用于煤礦等燃料充足的地方。于煤礦等燃料充足的地方。瓦特 瓦特瓦特 (1736-1819) (1736-1819) 是是世界公認(rèn)的蒸汽機發(fā)明家。世界公認(rèn)的蒸汽機發(fā)明家。 他的創(chuàng)造精神、超人他的創(chuàng)造精神、超人的才能和不懈的鉆研為后的才能和不懈的鉆研為后人留下了寶貴的精神和物人留下了寶貴的精神和物質(zhì)財富。瓦特改進(jìn)、發(fā)明質(zhì)財富。瓦特改進(jìn)、發(fā)明的蒸汽機是對近代科學(xué)和的蒸汽機是對近代科學(xué)和生產(chǎn)

15、的巨大貢獻(xiàn)，具有劃生產(chǎn)的巨大貢獻(xiàn)，具有劃時代的意義，它導(dǎo)致了第時代的意義，它導(dǎo)致了第一次工業(yè)技術(shù)革命的興起，一次工業(yè)技術(shù)革命的興起，極大的推進(jìn)了社會生產(chǎn)力極大的推進(jìn)了社會生產(chǎn)力的發(fā)展。的發(fā)展。 17641764年，學(xué)校請瓦特修理一年，學(xué)校請瓦特修理一臺紐可門式蒸汽機，在修理的臺紐可門式蒸汽機，在修理的過程中，瓦特熟悉了蒸汽機的過程中，瓦特熟悉了蒸汽機的構(gòu)造和原理，并且發(fā)現(xiàn)了這種構(gòu)造和原理，并且發(fā)現(xiàn)了這種蒸汽機的兩大缺點：活塞動作蒸汽機的兩大缺點：活塞動作不連續(xù)而且慢；蒸汽利用率低，不連續(xù)而且慢；蒸汽利用率低，浪費原料。以后，瓦特開始思浪費原料。以后，瓦特開始思考改進(jìn)的辦法?？几倪M(jìn)的辦法。 直到

16、直到17651765年的春天，在一年的春天，在一次散步時，瓦特想到，既然紐次散步時，瓦特想到，既然紐可門蒸汽機的熱效率低是蒸汽可門蒸汽機的熱效率低是蒸汽在缸內(nèi)冷凝造成的，那么為什在缸內(nèi)冷凝造成的，那么為什么不能讓蒸汽在缸外冷凝呢？么不能讓蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特產(chǎn)生了采用分離冷凝器的瓦特產(chǎn)生了采用分離冷凝器的最初設(shè)想。最初設(shè)想。瓦特 從從17661766年開始，在三年多的時間里，瓦特克服年開始，在三年多的時間里，瓦特克服了在材料和工藝等各方面的困難，終于在了在材料和工藝等各方面的困難，終于在17691769年年制出了第一臺樣機。自制出了第一臺樣機。自17691769年試制出帶有分離冷年試制出帶有

17、分離冷凝器的蒸汽機樣機之后，瓦特就已看出熱效率低已凝器的蒸汽機樣機之后，瓦特就已看出熱效率低已不是他的蒸汽機的主要弊病，而活塞只能作往返的不是他的蒸汽機的主要弊病，而活塞只能作往返的直線運動才是它的根本局限。直線運動才是它的根本局限。 17811781年，他研制出了一套被稱為年，他研制出了一套被稱為“太陽和行星太陽和行星”的齒輪聯(lián)動裝置，終于把活塞的往返的直線運動轉(zhuǎn)的齒輪聯(lián)動裝置，終于把活塞的往返的直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪的旋轉(zhuǎn)運動。瓦特還在輪軸上加裝了一個變?yōu)辇X輪的旋轉(zhuǎn)運動。瓦特還在輪軸上加裝了一個火飛輪。由于對傳統(tǒng)機構(gòu)的這一重大革新，瓦特的火飛輪。由于對傳統(tǒng)機構(gòu)的這一重大革新，瓦特的這種蒸汽機才

18、真正成為了能帶動一切工作及的動力這種蒸汽機才真正成為了能帶動一切工作及的動力機。機。 17811781年底，瓦特以發(fā)明帶有齒輪和拉桿的機械年底，瓦特以發(fā)明帶有齒輪和拉桿的機械聯(lián)動裝置獲得第二個專利。聯(lián)動裝置獲得第二個專利。瓦特 年，試制出了一種帶有雙向裝置的新汽年，試制出了一種帶有雙向裝置的新汽缸。由此瓦特獲得了他的第三項專利。把原來的單缸。由此瓦特獲得了他的第三項專利。把原來的單項汽缸裝置改裝成雙向汽缸，并首次把引入汽缸的項汽缸裝置改裝成雙向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變?yōu)楦邏赫羝?，這是瓦特在改進(jìn)紐蒸汽由低壓蒸汽變?yōu)楦邏赫羝@是瓦特在改進(jìn)紐可門蒸汽機的過程中的第三次飛躍。通過這三

19、次技可門蒸汽機的過程中的第三次飛躍。通過這三次技術(shù)飛躍，紐可門蒸汽機完全演變?yōu)榱送咛卣羝麢C。術(shù)飛躍，紐可門蒸汽機完全演變?yōu)榱送咛卣羝麢C。 17841784年，瓦特以帶有飛輪、齒輪聯(lián)動裝置和雙年，瓦特以帶有飛輪、齒輪聯(lián)動裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機的綜合組裝取得了他在革新紐向裝置的高壓蒸汽機的綜合組裝取得了他在革新紐可門蒸汽機過程中的第四項專利?？砷T蒸汽機過程中的第四項專利。 17881788年，瓦特發(fā)明了離心調(diào)速器和節(jié)氣閥；年，瓦特發(fā)明了離心調(diào)速器和節(jié)氣閥；17901790年，他又發(fā)明了汽缸示工器，至此瓦特完成年，他又發(fā)明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽機發(fā)明的全過程。了蒸汽機發(fā)明的全過程。瓦特

20、 1785年，瓦特被當(dāng)選為英國皇家學(xué)會會員。年，瓦特被當(dāng)選為英國皇家學(xué)會會員。 1814年，他被法國科學(xué)家學(xué)會接納為外國會員。年，他被法國科學(xué)家學(xué)會接納為外國會員。 1790年以后，優(yōu)厚的專利稅使瓦特成為一個很年以后，優(yōu)厚的專利稅使瓦特成為一個很有錢的名人。有錢的名人。1819年年8月月5日，瓦特在希思菲爾德郡日，瓦特在希思菲爾德郡的家里去世，遺體埋葬在漢德沃爾斯郊區(qū)的教堂里。的家里去世，遺體埋葬在漢德沃爾斯郊區(qū)的教堂里。 恩格斯在恩格斯在自然辨證法自然辨證法中這樣寫道：中這樣寫道：“蒸汽蒸汽機是第一個真正國際性的發(fā)明機是第一個真正國際性的發(fā)明瓦特個它加上了瓦特個它加上了一個分離的冷凝器，這就

21、使蒸汽機在原則上達(dá)到了一個分離的冷凝器，這就使蒸汽機在原則上達(dá)到了現(xiàn)在的水平?，F(xiàn)在的水平?！?瓦特為蒸汽機的推廣使用做出了不可磨滅的重瓦特為蒸汽機的推廣使用做出了不可磨滅的重要貢獻(xiàn)、有力的推動了社會的前進(jìn)。后人為了紀(jì)念要貢獻(xiàn)、有力的推動了社會的前進(jìn)。后人為了紀(jì)念這位偉大的發(fā)明家，把功率的單位定為這位偉大的發(fā)明家，把功率的單位定為“瓦特瓦特”。 蒸汽機從開始出現(xiàn)到最后完善經(jīng)歷了大約一百年，對蒸汽機從開始出現(xiàn)到最后完善經(jīng)歷了大約一百年，對社會生產(chǎn)和人類生活產(chǎn)生了巨大的影響。社會生產(chǎn)和人類生活產(chǎn)生了巨大的影響。 18071807年美國人富而頓年美國人富而頓（1765-18151765-1815）在紐

22、約制造了第一）在紐約制造了第一艘客船艘客船“clermonfclermonf”號。號。 18141814年英國煤礦工人斯蒂芬森年英國煤礦工人斯蒂芬森（1781-18481781-1848）制造了第）制造了第一臺蒸氣機車，一臺蒸氣機車，18251825年被應(yīng)用于火車和鐵路。英國成為年被應(yīng)用于火車和鐵路。英國成為當(dāng)時世界工業(yè)最發(fā)達(dá)的國家，形成了第一次世界技術(shù)革當(dāng)時世界工業(yè)最發(fā)達(dá)的國家，形成了第一次世界技術(shù)革命命蒸氣時代。蒸氣時代。18421842年法國、德國和意大利的資產(chǎn)階級年法國、德國和意大利的資產(chǎn)階級革命動搖了歐洲封建統(tǒng)治和農(nóng)奴制度。革命動搖了歐洲封建統(tǒng)治和農(nóng)奴制度。 恩格斯說：恩格斯說：“蒸

23、汽機是一個真正的國際的發(fā)明，而這蒸汽機是一個真正的國際的發(fā)明，而這個事實又證明了一個巨大的歷史性進(jìn)步。個事實又證明了一個巨大的歷史性進(jìn)步?！?9世紀(jì)40年代，有幾個科學(xué)家在不同地點、用不同的途徑、各自獨立地提出了能量守恒定律。其中以邁耶、焦耳、亥姆霍茲的工作最為著稱。邁耶的研究帶有哲學(xué)思辨的色彩，對那些習(xí)慣于用牛頓力學(xué)計算和定量實驗來定義科學(xué)的人們來說，是無法使人信服的。況且邁耶正在闡述的是一種可以把過去物理科學(xué)幾個獨立分支統(tǒng)一起來的新觀點，可是這種觀點的成效在當(dāng)時還不明顯。大約有10年之久，邁耶的工作幾乎沒有受到注意。他受到了激烈的反對，粗暴的中傷，一直在逆境中奮斗。焦耳關(guān)于熱功當(dāng)量的測定更

24、是確立能量守恒定律的實驗基礎(chǔ)。焦耳在實驗的基礎(chǔ)上，寫出論磁電的熱效應(yīng)及熱的機械值論文，并在1843年8月21日英國科學(xué)協(xié)會數(shù)理組會議上宣讀。他強調(diào)了自然界的能是等量轉(zhuǎn)換、不會消滅的，哪里消耗了機械能或電磁能，總在某些地方能得到相當(dāng)?shù)臒?。這對于熱的動力說是極好的證明與支持。因此引起轟動和熱烈的爭議。為了進(jìn)一步說服那些受熱質(zhì)說影響的科學(xué)家，他又利用更有效和更精確的裝置進(jìn)行實驗。例如，將壓縮一定量空氣所需的功與壓縮產(chǎn)生的熱量作比較確定熱功當(dāng)量；其中特別著名的也是今天仍可認(rèn)為是最準(zhǔn)確的槳葉輪實驗。通過下降重物帶動量熱器中的葉片旋轉(zhuǎn)，葉片與水的摩擦所生的熱量由水的溫升可準(zhǔn)確測出。他還用其他液體（如鯨油、

25、水銀）代替水。不同的方法和材料得出的熱功當(dāng)量都是423.9千克重米每千卡或趨近于423.85千克重米每千卡。 Q - heat in Joules or calories m - mass in kilograms DT - change the temperature in Kelvin C has units of J/kg K or kcal/kg K 1 calorie = 4.184 JoulesTmQCD焦耳的威廉湯姆森(William Thomson)湯姆孫參觀了焦耳的試驗室里各種自制的儀器，他深深為焦耳的堅韌不拔而感動。湯姆孫真誠地對焦耳說：“請您原諒，一個科學(xué)家在新觀點面前有

26、時也會表現(xiàn)得很無知的。” 1853年，兩人終于共同完成能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的精確表述。赫爾曼路德維希斐迪南德馮亥姆霍茲（Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz，18211894）德國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、生理學(xué)家、心理學(xué)家。p 一切科學(xué)都可以歸結(jié)到力學(xué)。p 強調(diào)了牛頓力學(xué)和拉格朗日力學(xué)在數(shù)學(xué)上是等價的，因而可以用拉氏方法以力所傳遞的能量或它所作的功來量度力。p 所有這種能量是守恒的。亥姆霍茲發(fā)展了邁耶（Julius Robert Mayer）、詹姆斯普雷斯科特焦耳（James Prescott Joule）等人的工作，討論了已知的力學(xué)的、熱學(xué)的、電學(xué)的、化學(xué)的各

27、種科學(xué)成果，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣撟C了各種運動中能量守恒定律。 1847年他在德國物理學(xué)會發(fā)表了關(guān)于力的守恒講演，這次講演內(nèi)容后來寫成專箸力之守恒出版。為了證明能量守恒定律成立，他拿出了一個支持他觀點的殺手锏：早在1775年巴黎科學(xué)院就做出決定，不再接受有關(guān)永動機觀點的申述，并將其歸于不可實現(xiàn)一類的范疇。EQWDp 什么是能做的，什么是不能做的；p 幫助我們排除不可能性，最大限度保存有用的資源，避免做無用功；對于熱力學(xué)第一定律，其原理是經(jīng)過人類一個世紀(jì)的反復(fù)驗證的，就是說“絕不可能獲得永動機”即制造一臺發(fā)動機可周而復(fù)始地做功或產(chǎn)生動能，而沒有任何消耗，這是不可能的普朗克p自然法則p蒸汽機帶來的學(xué)問 p妖從來

28、都沒贏過p墓碑上的公式科學(xué)研究沒有禁區(qū)，總是有人在尋找著熱力學(xué)第二定律的反例，其中最著名的就是1871年物理學(xué)家麥克斯韋設(shè)計的一個頭腦實驗麥克斯韋妖。他假設(shè)了一個密閉的容器，由一個沒有摩擦力的隔板分成AB兩部分，隔板上有個由妖魔控制的閥門。起初兩側(cè)溫度相同，當(dāng)高速分子由A向B運動或慢速分子由B向A運動時，妖魔就打開閥門令其通過，反之，當(dāng)高速分子由B向A運動或慢速分子由A向B運動時，妖魔就關(guān)閉閥門。久而久之，高速分子都跑到了B區(qū)，慢速分子都跑到了A區(qū)，于是隨著時間的繼續(xù)，在沒有能量消耗的情況下，容器右邊越來越熱，左邊越來越冷，當(dāng)溫差形成時，便可以利用溫差發(fā)動一臺熱機做功。這只想象中的妖魔打破了“

29、封閉系統(tǒng)的熵只能增加”的熱力學(xué)第二定律?？茖W(xué)界將這類違背熱力學(xué)第二定律的熱機稱為“第二類永動機”。http:/ p 熱力學(xué)第二定律告訴我們，一旦某一系統(tǒng)中的達(dá)到了溫度均衡，就無法在從系統(tǒng)中吸取功了。而系統(tǒng)中單個分析的能量是不均等的，那么依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)各分子能量不均的條件，能建立第二類永動機嗎？p 上述例子中的整個系統(tǒng)包括：容器，氣體，活動門和妖，活動門在打開和關(guān)閉時是一個耗費能量的機械裝置，而且隨著氣體分子向右輸運越來越多，它的作用越來越小，活動門本身和它的控制作用都受到溫度波動的制約。p 妖是如何觀察單個分子的？因為是同一溫度下被隔絕的封閉系統(tǒng)，整個系統(tǒng)充滿均質(zhì)發(fā)熱的氣體分子，它不可能看見什么，

30、必須借助于閃光信號燈之類的照明工具才能看到單個氣體分子。那么就有額外的熱源引入打破了這個“封閉系統(tǒng)”。沒有付出就不會有收獲，甚至更不會觀察到什么。Gabor Dennis（1900-1979）1971年諾貝爾物理學(xué)獎得主“麥克斯韋妖”實際上必須消耗能量來確定哪個分子是熱的、哪個分子是冷的。匈牙利物理學(xué)家馮勞厄（1879-1960）1914年諾貝爾物理學(xué)獎得主理查德費曼（Richard P.Feyrman）1918年出生，1939年于麻省理工學(xué)院畢業(yè)后，進(jìn)入普林斯頓大學(xué)研究院，又加入羅拉拉摩斯實驗室，對原子彈的發(fā)展貢獻(xiàn)卓著。1965年與薛溫格和朝永振一郎共獲諾貝爾物理獎。1988年2月因患癌癥辭

31、世。費曼的思想如天馬行空，喜自辟蹊徑，且從不固執(zhí)，求知欲極強。他很愛惡作劇，但往往只為點出世間許多荒謬之處。確如洛杉磯時報所說的，“任何讀這本書而不大笑出聲的人，心理一定有毛病?！眕 20世紀(jì)50年代，法國物理學(xué)家布里淵用信息論驅(qū)逐了這只妖魔，捍衛(wèi)了熱力學(xué)第二定律的正確性。布里淵在其專著科學(xué)與信息論及一系列論文中，從信息論的角度分析了妖魔的分辨本領(lǐng)及控制能力的來源。由于容器是密閉的孤立系統(tǒng)，妖魔處于絕對黑體中，它是不可能看清任何東西的，當(dāng)然也就無法分辨分子運動的速度和方向，系統(tǒng)只能繼續(xù)處于原來的平衡態(tài)中。除非外面提供光亮，它才有可能看清楚并正確控制閥門，從而增加系統(tǒng)的有序性并使熵減少，但這種有

32、能量輸入的系統(tǒng)就不再是孤立系統(tǒng)了，當(dāng)然就不再適用于熱力學(xué)第二定律了。布里淵還進(jìn)一步分析了信息論中的熵與熱力學(xué)中的熵的定量關(guān)系，得出了公式1bit=kln2(J/K)，其物理意義是：要獲取1bit的信息，其熵必定減少kln2=0.95710-23(J/K)，其中k=1.3810-23(J/K)。例如T為300K時，則要消耗2.8710-21（J）的能量。信息的獲取必須借助于一定的物質(zhì)過程，而且伴隨著一定能量的消耗，不耗損能量而獲得信息是不可能的，所以說孤立系統(tǒng)中的妖魔是不可能存在的。1961年，IBM物理學(xué)家羅夫蘭道爾（Rolf Landauer）證明，重置1比特的信息都會釋放出熱量，也就是說，

33、將計算機中的一個二進(jìn)制比特位置零，不管初始值為1或0，都會釋放出極少的熱量。2010年，自然-物理學(xué)網(wǎng)絡(luò)版報道，日本中央大學(xué)理工學(xué)部的鳥谷部祥一和東京大學(xué)的佐野雅樹領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊在實驗室讓一個直徑為287納米的聚苯乙烯小球沿電場制造的微小旋轉(zhuǎn)階梯向上爬動，并將小球拍照。小球可以隨機朝任何方向運動，由于向上爬會增加勢能，因此其往下一層的概率更大，如果不人為干擾，小球最終會掉至最底層。在實驗中，當(dāng)小球沿階梯向上爬一層后，研究人員就使用電場在小球爬上的那層階梯加一面“墻”，讓小球無法回到低的那一層，這樣小球就能一直向上爬。該小球能爬階梯完全由“自己的位置”這一信息所決定，研究人員無需施加任何外力(比如注

34、入新能量等)，僅需一個感應(yīng)系統(tǒng)(比如攝像機)。另外，他們也能精確地測量出有多少能量由信息轉(zhuǎn)化而來。這同樣也是一個熵減過程實驗，其主要貢獻(xiàn)是納米尺度上的精密控制新技術(shù)?！肮铝⑾到y(tǒng)”是熱力學(xué)第二定律的熵增原理必不可少的條件，而這項研究借助的系統(tǒng)不是孤立系統(tǒng)，而是與外界有能量交換的開放系統(tǒng)，這里使用的是電能。研究結(jié)論不僅不是對熱力學(xué)第二定律的挑戰(zhàn)，恰恰相反，是對該定律的驗證，若把實驗室的電閘拉了，什么也不會發(fā)生。新實驗直接證明了信息可以轉(zhuǎn)化為能量，盡管如此，新技術(shù)仍無法解決人類目前面臨的能源危機?！霸趯⑿畔⑥D(zhuǎn)化為能量時，真正的能源成本掩藏于外部（包括實驗的操作者），因此，該實驗就如同人們試圖使用原子

35、核聚變來產(chǎn)生能量，其實核反應(yīng)本身耗費的能源可能更多?！眕 蒸汽機發(fā)明了，如何提高效率？hotWQ尼古拉萊昂納爾薩迪卡諾（Nicolas Lonard Sadi Carnot1796年1832年單獨提供熱不足以給出推動力，必須還要有冷，沒有冷，熱將是無用的桑迪 卡諾關(guān)于火的動力及專門產(chǎn)生這種動力的機器的見解 11100%ccChhQTQT 在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤瑴囟鹊牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切實際熱機，其效率都不會大于在同樣的熱源之間工作的可逆卡諾熱機的效率。提高熱機效率指明了方向p 在自然條件下任何事物，包括能量，不可能無緣無故地消失。當(dāng)熱流體自由地從一個熱物體流向一個冷物體，機械能是怎么不通

36、過熱機而以直接減少的方式消失的？魯?shù)婪蛴壤麨跛拱ｑR努埃爾克勞修斯（1822年1月2日1888年8月24日），德國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，熱力學(xué)的主要奠基人之一。 states in which direction a process can take place heat does not flow spontaneously from a cold to a hot body heat cannot be transformed completely into mechanical work it is impossible to construct an operational perpetua

37、l motion machine introduces concept of entropyp自然法則p蒸汽機帶來的學(xué)問 p妖從來都沒贏過p墓碑上的公式在整個物理學(xué)中沒有哪個概念比熵更難理解，也沒有哪個概念比熵更重要。美國物理學(xué)家西爾斯（1898-1975） property that indicates the direction of a process entropy is a measure of disorder entropy is a measure of a systems ability to do useful work entropy determines directi

38、on of time the entropy of an isolated system increases熵是一種世界觀熵是一種世界觀熵是一種世界觀人們通過大量觀察、實驗，概括出熱現(xiàn)象的自然規(guī)律熱力學(xué)第二定律 克勞修斯克勞修斯表述：不可能將熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化（即熱量不會自動地從低溫物體傳到高溫物體）外界需對系統(tǒng)作功，就屬“其它變化”。此表述說明熱傳導(dǎo)過程的不可逆性。德國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，熱力學(xué)的主要奠基人之一。他重新陳述了薩迪卡諾的定律（又被稱為卡諾循環(huán)），把熱理論推至一個更真實更健全的基礎(chǔ)。開始時，4 4個分子都在A A部，抽出隔板后分子將向B B部擴散并在整個容器

39、內(nèi)無規(guī)則運動。隔板被抽出后，4 4分子在容器中可能的分布情形如下圖所示：微觀態(tài)共有微觀態(tài)共有2 24 4=16=16種可能的方式，而且種可能的方式，而且4 4個分個分子全部退回到子全部退回到A A部的可能性即幾率為部的可能性即幾率為1/21/24 4=1/16=1/16 一般來說，若有一般來說，若有N N個分子，則共個分子，則共2 2N N種可能方種可能方式，而式，而N N個分子全部退回到個分子全部退回到A A部的幾率部的幾率1/21/2N N. .對對于真實理想氣體系統(tǒng)于真實理想氣體系統(tǒng)10102323/mol/mol，這些分子，這些分子全部全部退回到退回到A A部的幾率為部的幾率為2310

40、21 對單個分子或少量分子來說，它們擴散到對單個分子或少量分子來說，它們擴散到B B部的過程原則上是可逆的。但對大量分子組成部的過程原則上是可逆的。但對大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，它們向的宏觀系統(tǒng)來說，它們向B B部自由膨脹的宏觀過部自由膨脹的宏觀過程實際上是不可逆的。程實際上是不可逆的。 熱力學(xué)第二定律所表達(dá)的不可逆性質(zhì)實際上是這樣一種統(tǒng)計必然性：對于一個不受外界影響的孤立系統(tǒng)，其內(nèi)部發(fā)生的任何過程，總是從幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進(jìn)行。這就是熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義 熵是熱力學(xué)系統(tǒng)中幾率或無序度的量度，幾率越大，無序度越高則熵越大。所以孤立系統(tǒng)中一切實際過程是向著熵增加的方向進(jìn)行。系統(tǒng)處于

41、該宏觀態(tài)時的熵系統(tǒng)處于某一宏觀態(tài)的熱力學(xué)概率（即該宏觀態(tài)所含微觀態(tài)的數(shù)目）玻耳茲曼常量 熵這個物理量它是根據(jù)熱力學(xué)第二定律熵這個物理量它是根據(jù)熱力學(xué)第二定律確定的一個新的狀態(tài)函數(shù)確定的一個新的狀態(tài)函數(shù) 熵是反映任何系統(tǒng)在微觀層次上的熵是反映任何系統(tǒng)在微觀層次上的無序程無序程度度的，微觀無序度增加，熵就增加的，微觀無序度增加，熵就增加 熵可以通過測量系統(tǒng)的溫度和熱能來確定熵可以通過測量系統(tǒng)的溫度和熱能來確定熵，但我們更關(guān)心的是熵，但我們更關(guān)心的是熵的變化熵的變化 可以證明：任何物理過程中各個參與者的可以證明：任何物理過程中各個參與者的總熵必定是要么增加要么保持不變；熵不會減總熵必定是要么增加要么

42、保持不變；熵不會減少這就是少這就是熵增加原理熵增加原理。不可逆過程可逆過程取取 孤立（或絕熱）系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過程不可逆時，其熵增加；所發(fā)生的過程可逆時，其熵不變。 熵的增加是能量退化的量度，自然界的實際過程都是不可逆過程，即熵增加的過程 每利用一份能量，就會得到一定的懲罰-把一部分本來可以利用的能量變?yōu)橥嘶哪芰俊?退化的能量，實際上就是環(huán)境污染的代名詞，節(jié)約能源就是保護(hù)杯境，而保護(hù)環(huán)境就是保護(hù)人類的生存條件。交通工具交通工具人人公里公里/升升私家小轎車（平均乘坐私家小轎車（平均乘坐1.15人）人）7商業(yè)航空飛機商業(yè)航空飛機14合伙用車（平均乘坐合伙用車（平均乘坐4人）人）25公共汽車公共汽

43、車32城市間火車城市間火車60步行步行178*自行車自行車642*將食物的卡路里數(shù)折合成汽油的容積將食物的卡路里數(shù)折合成汽油的容積感冒：起因感冒：起因-運動或勞累過后，身體消耗大量能量，運動或勞累過后，身體消耗大量能量，產(chǎn)生大量廢熱（體內(nèi)熵大增）如能迅速排除，人相產(chǎn)生大量廢熱（體內(nèi)熵大增）如能迅速排除，人相安無事。安無事。 但如此時或吹風(fēng)、或著涼但如此時或吹風(fēng)、或著涼皮膚，并下令皮膚毛細(xì)血管收縮阻止身體散熱，皮膚，并下令皮膚毛細(xì)血管收縮阻止身體散熱，這樣體內(nèi)原有積熵排不出，還進(jìn)一步產(chǎn)生積熵，以這樣體內(nèi)原有積熵排不出，還進(jìn)一步產(chǎn)生積熵，以致積熵過剩。熵是無序度的量度。因此人體內(nèi)二千致積熵過剩。熵

44、是無序度的量度。因此人體內(nèi)二千多化學(xué)反應(yīng)開始混亂多化學(xué)反應(yīng)開始混亂-使人頭痛、發(fā)燒、畏寒畏冷、使人頭痛、發(fā)燒、畏寒畏冷、全身無力。抵抗力減弱全身無力。抵抗力減弱.人因此感冒了人因此感冒了. ., ,皮膚感到過涼，皮膚感到過涼，此信息傳到大腦的調(diào)溫中心此信息傳到大腦的調(diào)溫中心-丘腦，進(jìn)行調(diào)溫以暖丘腦，進(jìn)行調(diào)溫以暖中醫(yī)說中醫(yī)說: :內(nèi)有虛火內(nèi)有虛火, ,外感風(fēng)寒外感風(fēng)寒. .西醫(yī)說西醫(yī)說: :感冒了感冒了, ,有炎癥有炎癥. .物理學(xué)家說物理學(xué)家說: :如何治療呢如何治療呢? ?中醫(yī)說中醫(yī)說: :西醫(yī)說西醫(yī)說: :物理學(xué)家說物理學(xué)家說: :發(fā)汗清熱發(fā)汗清熱. .退熱消炎退熱消炎積熵過剩積熵過剩. .消除積熵消除積熵. .癌癥