低碳能源课程讲座(一)

有多少HEAT可以重来？——关于热力学那些不得不说的故事低碳能源可持续发展系列讲座2015年12月7日俞自涛自然法则蒸汽机带来的学问

妖从来都没赢过墓碑上的公式提纲社会越来越发展，严重的能源与环境挑战？在时间长河中只能淌过一次？生命流逝不可逆转？生活越来越复杂，越来越不确定？省时省力的发明越来越多，拥有的时间却越来越少？问题无序的世界29？这些困惑或许能从热力学原理中找到解释热力学第一定律——能量守恒定律热力学第二定律——熵增的不可逆性

——JackHokikian自然法则自然界一直为人类提供丰富的能源和资源，但是热力学定律告诫我们：能源的利用不是免费的，被利用的每一滴水和每一块煤都会在环境留下它们各自的影响或造成一定后果，常常给人类带来意想不到的麻烦……受过开明教育的人，应该懂些热力学法则；任何一个有点智力的人，即使没有或几乎完全没有科学和数学的背景，也只需要适度的努力便可以懂得热力学。——CharlesPercySnow《theTwoCulturesandtheScientificRevolution》前言CharlesPercySnow（1905.10.15-1980.7.1）英国科学家，小说家能量的概念已被证明是人类生活所有领域中具有最重要意义的物理学概念——R.BruceLindsay自然第一定律——能量的概念能量是“做功的能力”消耗了能量而没有做功是可能发生的惠更斯发现：在完全弹性碰撞运动中，一个物体的质量乘以它移动速度平方这个量保持不变，即：莱布尼兹男爵称这个量为运动物体的“活力”但有些过程（如落体）物体的活力并不保持永恒不变沙特莱推测能量守恒包括两个，“活力”和“死力”两者可以相互转换但两者总量不变。拉格朗日将这个概念明确：在一个运动系统中的能量包括动能和势能。死力=潜在能量（势能）能量的概念沙特莱侯爵夫人（1706–1749）她将牛顿的《自然哲学的数学原理》翻译成了法文，该版本至今仍在使用。创建人。他的研究成果还遍及力学、逻辑学、化学、地理学、解剖学、动物学、植物学、气体学、航海学、地质学、语言学、法学、哲学、历史、外交等等，“世界上没有两片完全相同的树叶”就是出自他之口。由于他创建了微积分，并精心设计了非常巧妙简洁的微积分符号，从而使他以伟大数学家的称号闻名于世。

莱布尼茨(1646—1716)，德国最重要的自然科学家、数学家、物理学家、历史学家和哲学家，一位举世罕见的科学天才，和牛顿（1643年1月4日—1727年3月31日）同为微积分的1“活力”守恒的发现他认为：“力必须由它所产生的效果来衡量，例如用它能将一个重物举起的高度来衡量……而不是用它传给另一物体的速度来衡量。”莱布尼兹提出了“活力”概念及“活力”守恒原理。1686年，莱布尼兹在他的论文中提出mv不宜作运动的原动力的量度，应把mv2作为原动力的量度。1“活力”守恒的发现他根据伽利略的落体定律计算出物体自由下落的高度和它下落此高度所获得的速度的平方成正比，即v2∝h，而物体下1“活力”守恒的发现落所得的速度正好等于把它送到原来高度的那个速度，所以物体能上升的高度就和这速度的平方成正比。以物体的重量和提升的高度的乘积作为运动的力的量度时，应以mv2作为运动的力的真正量度。莱布尼兹把mv2叫做活力。减少的活力并未消失，而只是被物体内部的微小粒子吸收了，微粒的活力增加了。这个思想是深刻的。莱布尼兹当时当然没有现代的分子原子概念，他的这种解释纯属设想，但是却符合了近代分子运动论的观点——碰撞物体整体的动能变成了热能，即内部分子运动的动能。1“活力”守恒的发现

对非弹性碰撞，动量是守恒的，但是活力是减少的。莱布尼兹仍坚信活力是守恒的。为了说明在非弹性碰撞中活力并没有减少，他提出了一个巧妙的解释，即认为碰撞物体在整体上所莱布尼兹还把他的活力守恒思想推广到碰撞以外的问题中。他看到当石头以一定的初速竖直抛上时，它的速度随高度而减少，到达最高点时活力变为零；然后回落，活力又逐渐增大，最后又可恢复原来的活1“活力”守恒的发现力数值。对上抛过程中活力的显然减少，莱布尼兹仍坚持活力并未消失而是以某种形式被储存起来了，当物体回落时这储存的活力又被释放了出来。由此可以看出，莱布尼兹的活力守恒的信念何等牢固！他的这种活力被储存起来的想法是后来势能概念的先声。热力学理论发展公元前四元素/五行说1593年伽利略温度计1695年巴本蒸汽机1705年纽可门蒸汽机1769年瓦特蒸汽机工业革命1742年摄氏温标1825年热机用于轮船/火车1854年开尔文温标热质论什么是“热”热运动论VS拉瓦锡1743年－1794年，法国贵族，著名化学家、生物学家，被后世尊称为"近代化学之父道尔顿1766年－1844年英国化学家、物理学家。近代原子理论的提出者约瑟夫·普里斯特利(1733～1804)，发现氧气的伟大英国化学家。1766年当选为英国皇家学会会员。1782年当选为巴黎皇家科学院的外国院士。弗朗西斯·培根（1561-1626）罗伯特·波义耳（1627—1691），英国化学家，化学史家都把1661年作为近代化学的开始年代，因为这一年有一本对化学发展产生重大影响的著作出版问世，这本书就是《怀疑派化学家TheScepticalChemist》，它的作者是英国科学家罗伯特·波义耳。革命导师马克思、恩格斯也同意这一观点，他誉称“波义耳把化学确立为科学”。热是一种物质,即热质说热是物体粒子的内部运动

古希腊的原子论把热描绘成一种特殊的,不可直接觉察的物质;其结构与其他的物质一样,也是由原子构成的;大概还具有一定的重量。“热是一种实实在在的物质实体，一种非常微妙的流体”能够渗透到所有空间并能从所有物质中流进流出。因此：这种物质存在是物体变热，随着它离开物体变冷。

历史上笛卡尔、波义耳、胡克等人主张这一观点。继胡克之后反对热质说的还有丹尼尔•伯努力和罗蒙诺索夫。罗蒙诺索夫关于热理论的观点包含在他的著作中，1749年发表的“关于热和冷的原因之沉思”“热是由物质的粒子运动而产生的”

分析当时热质说占优势的主要原因是:当时人们把热现象和其他现象割裂开来研究,还未注意到它们之间的相互关系和转化;热质说比热的运动说更为简明,用热质说能很好地解释当时已发现的热现象,因此易于被人们接受;热质说更能迎合18世纪在物理学和化学研究中占统治地位的形式主义倾向.

另外牛顿“不臆造假说”的思想还很有影响,大多数物理学家不愿接受当时还看不见摸不着的比较复杂的分子运动假说.热的“运动”学说

18世纪末,热质说受到了严重的挑战,致力于推翻热的物质说的物理学家是伦福德伯爵本杰明·汤普森（拉姆福德伯爵）BenjaminThompson(Rumford),1753～1814英籍物理学家汤普森是个传奇人物。他出生在美国，从小没受过什么教育，13岁时在一家小店当学徒，因自制焰火而发生爆炸险些丧命。独立战争爆发时，因反对独立战争去英国。到英国后，在乔治·塞克维尔勋爵帮助下，获得了科学研究的机会，1779年被选为伦敦皇家学会会员。他于1783年去了德国，在巴伐利亚选帝侯手下任要职。1784年～1799年在德国巴伐利亚，备受巴伐利亚王室的礼遇，担任陆军大臣和其他要职，由于他的功勋，1790年被封为伯爵，此后就叫他伦福德伯爵。他曾在伦敦创办了皇家科普协会皇家学院。1803年他和拉瓦锡的遗孀结婚而移居法国。热的“运动”学说伦福德在慕尼黑兵工厂监造大炮时，注意到用钻子钻炮筒时，炮筒温度很高。钻头越钝，钻削的碎屑越少，所产生的热量却越多。这与热质说认为碎屑越少，金属释放的热质就越少的说法恰好相反。为了证明钻削时产生的热不是来源于热质的解释，伦福德把炮筒放在水槽里，用一支钝得几乎不能削出碎屑的钻头钻孔。几匹马拉着钻具钻了约两个半小时，槽内约18磅水竟然沸腾起来。没有任何东西供给热质，竟然源源不断地产生热。这些热是从哪里来的呢？实验说明“热只能来源于钻头的运动”。故他主张热是一种分子之运动。伦福德的看法引起了正在新创办的皇家学院任教的21岁的戴维的兴趣。1799年，戴维又做了冰摩擦实验。他用两块冰在真空中摩擦，并使整个仪器都保持在0℃。几分钟后，冰融化成水，但冰吸收的热是从哪里来的呢？唯一的可能是由机械运动转化而来。戴维由此断言“热质是不存在的”。在对粒子振动的思想犹豫了一段时间之后，1812年他终于明确提出：“热现象的直接原因是运动，它的转化定律和运动转化定律一样，同样是正确的。”伦福德和戴维的实验，打破了热质说的缺陷，为能量守恒和转化定律的发现扫除了思想障碍。热的“运动”学说自然法则蒸汽机带来的学问

妖从来都没赢过墓碑上的公式提纲

1695年，荷兰物理学家惠更斯的学生和助手—法国人巴本（1647-1714）第一个发明了汽缸有活塞的蒸汽机，用以取水和推磨。虽然结构不完善，但它是第一个蒸气在汽缸内作功的机器巴本在实验时，他先将汽缸的底部注入少量的水，再把汽缸放到火上加热。当汽缸内的水沸腾后，蒸汽即推动活塞慢慢上升；然后，又把火从汽缸下抽掉，汽缸内的蒸汽即慢慢冷凝。由于蒸汽的冷凝，汽缸内产生真空，在大气压力的推动之下，活塞又慢慢下降。通过这一实验，使巴本认识到，利用蒸汽压力、大气压力、真空作用的交互作用，完全可以推动汽缸内的活塞及其活塞杆作往返的直线运动。而这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械的运动。巴本在发明带有活塞的蒸汽泵之后，考虑到蒸汽压力大可能会使汽缸爆炸，巴本又在1680年发明了安全阀。这样，第一台可以把热能转变为机械能的实验型的蒸汽泵，就于1680年在英国试验成功了。——英国皇家工程队的军事工程师发明第一台用于生产的蒸汽机1698年英国人赛维利（1650-1715）也提出了类似的机器。

继巴本之后，在近代蒸汽动力技术的发展中作出重要贡献的是英国机械工程师赛维利（T.Savery1650-1715）。

赛维利的汽缸与巴本的汽缸很不相同。赛维利的汽缸未采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和进汽管。

当蒸汽从锅炉经过汽管进入汽缸后即使这部分蒸汽冷却，而冷却后造成的真空就把矿井中的水从吸水管中吸进来，此时再将蒸汽注入汽缸，这部分进入汽缸的蒸汽所产生的压力就把水从排水管中排放出来。后来，赛维利研究了巴本的蒸汽泵，在他的蒸汽泵中也采用了安全阀。纽科门

纽科门(Newcomen，Thomas)是英国工程师，蒸汽机发明人之一。他发明的常压蒸汽机是瓦特蒸汽机的前身。纽科门幼年仅受过初等教育，少年时代做过锻工。17世纪80年代同卡利合伙经营铁器，后来共同研制蒸汽机，并于1705年取得“冷凝进入活塞下部的蒸汽和把活塞与连杆联接以产生运动”专利权。

此后，纽科门继续改进蒸汽机，于1712年首次制成可供实用的大气式蒸汽机，被称为纽科门蒸汽机。这台蒸汽机的汽缸活塞直径为30.48厘米,每分钟往复12次，功率为5.5马力。但热效率低，燃料消耗量大，仅适用于煤矿等燃料充足的地方。瓦特

瓦特(1736-1819)是世界公认的蒸汽机发明家。他的创造精神、超人的才能和不懈的钻研为后人留下了宝贵的精神和物质财富。瓦特改进、发明的蒸汽机是对近代科学和生产的巨大贡献，具有划时代的意义，它导致了第一次工业技术革命的兴起，极大的推进了社会生产力的发展。

1764年，学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，并且发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。以后，瓦特开始思考改进的办法。直到1765年的春天，在一次散步时，瓦特想到，既然纽可门蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。瓦特

从1766年开始，在三年多的时间里，瓦特克服了在材料和工艺等各方面的困难，终于在1769年制出了第一台样机。自1769年试制出带有分离冷凝器的蒸汽机样机之后，瓦特就已看出热效率低已不是他的蒸汽机的主要弊病，而活塞只能作往返的直线运动才是它的根本局限。

1781年，他研制出了一套被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，终于把活塞的往返的直线运动转变为齿轮的旋转运动。瓦特还在轮轴上加装了一个火飞轮。由于对传统机构的这一重大革新，瓦特的这种蒸汽机才真正成为了能带动一切工作及的动力机。

1781年底，瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二个专利。瓦特

１７８２年，试制出了一种带有双向装置的新汽缸。由此瓦特获得了他的第三项专利。把原来的单项汽缸装置改装成双向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽，这是瓦特在改进纽可门蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽可门蒸汽机完全演变为了瓦特蒸汽机。

1784年，瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第四项专利。

1788年，瓦特发明了离心调速器和节气阀；1790年，他又发明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。瓦特

1785年，瓦特被当选为英国皇家学会会员。

1814年，他被法国科学家学会接纳为外国会员。

1790年以后，优厚的专利税使瓦特成为一个很有钱的名人。1819年8月5日，瓦特在希思菲尔德郡的家里去世，遗体埋葬在汉德沃尔斯郊区的教堂里。恩格斯在《自然辨证法》中这样写道：“蒸汽机是第一个真正国际性的发明……瓦特个它加上了一个分离的冷凝器，这就使蒸汽机在原则上达到了现在的水平。”瓦特为蒸汽机的推广使用做出了不可磨灭的重要贡献、有力的推动了社会的前进。后人为了纪念这位伟大的发明家，把功率的单位定为“瓦特”。

蒸汽机从开始出现到最后完善经历了大约一百年，对社会生产和人类生活产生了巨大的影响。

1807年美国人富而顿（1765-1815）在纽约制造了第一艘客船“clermonf”号。

1814年英国煤矿工人斯蒂芬森（1781-1848）制造了第一台蒸气机车，1825年被应用于火车和铁路。英国成为当时世界工业最发达的国家，形成了第一次世界技术革命—蒸气时代。1842年法国、德国和意大利的资产阶级革命动摇了欧洲封建统治和农奴制度。

恩格斯说：“蒸汽机是一个真正的国际的发明，而这个事实又证明了一个巨大的历史性进步。”蒸汽机带来的学问——能量守恒一位疯狂的医生——迈耶一名开心的啤酒匠——焦耳一位生理学副教授——亥姆霍兹19世纪40年代，有几个科学家在不同地点、用不同的途径、各自独立地提出了能量守恒定律。其中以迈耶、焦耳、亥姆霍兹的工作最为著称。迈耶。1840年2月22日，他作为一名随船医生跟着一支船队来到印度。一日，一名船员因水土不服生起病来，于是迈耶依老办法给船员们放血治疗。在德国，医治这种病时只需在病人静脉血管上扎一针，就会放出一股黑红的血来，可是在这里，他发现水手静脉流出的血好象动脉血一样鲜红，以致误认为切错了血管。随后，证明流出的血确实是静脉血。Meyer（1814—1878)是德国人，大学时学医，但他并不喜欢当医生，他当过随船医生，工作比较清闲。他对万事总要问个为什么，而且必亲自观察，研究，实验。他从事能量守恒和转化问题的研究是从对生理现象分析开始迈耶这一现象促使迈耶思考身体内食物转化为热量以及身体能够做功这个事实。从而得出结论，热和功是能够相互转化的。

但回到欧洲后发现静脉血又变成黑红色。由此迈耶根据燃烧学说为基础的动物热理论，想到这些现象可能是由于人体与环境之间的温度差不同的缘故。血液比较红是在热带身体不像在温带那样需要更多的氧来燃烧以保持体温。

他把有机体的这种化学过程和无机的物理现象联系起来，从而产生了热和机械运动有一定当量关系的思想。他又注意到当时许多人进行永动机的实验都以失败而告终，从童年时期就给他留下了深刻的影响。这些使他猜想“机械功根本不可能产生于无”。

迈耶开始思考：人的血液所以是红的是因为里面含有氧，氧在人体内燃烧产生热量，维持人的体温。这里天气炎热，人要维持体温不需要燃烧那么多氧了，所以静脉里的血仍然是鲜红的。那么，人身上的热量到底是从哪来的？顶多500克的心脏，它的运动根本无法产生如此多的热，无法光靠它维持人的体温。

迈耶那体温是靠全身血肉维持的了，而这又靠人吃的食物而来，不论吃肉吃菜，都一定是由植物而来，植物是靠太阳的光热而生长的。太阳的光热呢？太阳如果是一块煤，那么它能烧4600年，这当然不可能，那一定是别的原因了，是我们未知的能量了。他大胆地推出，太阳中心约2750万度（现在我们知道是1500万度）。迈耶越想越多，最后归结到一点：能量如何转化（转移）？

他一回到汉堡就写了一篇《论无机界的力》，他将论文投到《物理年鉴》，却得不到发表，只好发表在一本名不见经传的医学杂志上。第一次提出了力(即现在所说的能量)的不灭性和可转化性的原理，并用自己的方法初步计算了热功当量。他从“无不生有，有不变无”和“原因等于结果”等哲学观念出发，表达了他对物理、化学过程中的“力”的守恒和转化的思想。永动机绝对不能实现迈耶又作出如下推论：如果热是由两个表面相互摩擦这样的运动产生的，则热必定与运动等价。迈耶指出：“如果落体力和运动力等价于热，那么热自然要等价于落体力和运动力。”迈耶又提出“相当于动能或势能的热量究竟是多大”的问题。第一次提出了热功当量的概念。他并根据落体的势能全部转化为热作了初步估计：“重物从大约365米的高度下落(所产生的效应)对应给相同质量的水从0℃到1℃所加的热。”（大约合3.65焦耳/卡）迈耶是最早进行热功当量实验的学者，在1842年，他用一匹马拉机械装置去搅拌锅中的纸浆，比较了马所做的功与纸浆的温升，给出了热功当量的数值。他的实验比起后来焦耳的实验来，显得粗糙，但是他深深认识到这个问题的重大意义，并且最早表述了能量守恒定律。他在1842年就认识到：“永动机的设计在理论上是绝对不可能的。要是有人否认我的这个定理，那么我就能立即建造一部永动机。”迈耶他到处演说：“你们看，太阳挥洒着光与热，地球上的植物吸收了它们，并生出化学物质……”由于迈耶的研究带有哲学思辨的色彩，对那些习惯于用牛顿力学计算和定量实验来定义科学的人们来说，是无法使人信服的。况且迈耶正在阐述的是一种可以把过去物理科学几个独立分支统一起来的新观点，可是这种观点的成效在当时还不明显。大约有10年之久，迈耶的工作几乎没有受到注意。他受到了激烈的反对，粗暴的中伤，一直在逆境中奋斗。

迈耶祸不单行，1848年两个孩子夭折、弟弟又因参加革命活动受牵连。在一连串的打击下迈耶于1849年从三层楼上跳下自杀，但是未遂，却造成双腿伤残，从而成了跛子，而后又被诊断为精神分裂，送入精神病院，遭受了八年的非人折磨。1858年，世界又重新发现了迈耶，他从精神病院出来以后，被瑞士巴塞尔自然科学院授为荣誉博士。晚年的迈耶也可以说是苦尽甘来，在晚年他先后获得了英国皇家学会的科普利奖章，还获得了蒂宾根大学的荣誉哲学博士、巴伐利亚和意大利都令科学院院士的称号。1878年3月20日迈耶在海尔布逝世。不屈不挠的焦耳焦耳1818年12月24日生于曼彻斯特附近的索尔福德。父亲是个富有的啤酒厂厂主。焦耳从小就跟父亲参加酿酒劳动，学习酿酒技术，没上过正规学校。16岁时和兄弟一起在著名化学家道尔顿门下学习，然而由于经常生病，学习时间并不长，但是道尔顿对他的影响极大，使他对科学研究产生了强烈的兴趣。1838年他拿出一间住房开始了自己的实验研究。他经常利用酿酒后的业余时间，亲手设计制作实验仪器，进行实验。焦耳关于热功当量的测定更是确立能量守恒定律的实验基础。焦耳在实验的基础上，写出《论磁电的热效应及热的机械值》论文，并在1843年8月21日英国科学协会数理组会议上宣读。他强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的，哪里消耗了机械能或电磁能，总在某些地方能得到相当的热。这对于热的动力说是极好的证明与支持。因此引起轰动和热烈的争议。不屈不挠的焦耳为了进一步说服那些受热质说影响的科学家，他又利用更有效和更精确的装置进行实验。例如，将压缩一定量空气所需的功与压缩产生的热量作比较确定热功当量；其中特别著名的也是今天仍可认为是最准确的桨叶轮实验。通过下降重物带动量热器中的叶片旋转，叶片与水的摩擦所生的热量由水的温升可准确测出。他还用其他液体（如鲸油、水银）代替水。不同的方法和材料得出的热功当量都是423.9千克重·米每千卡或趋近于423.85千克重·米每千卡。在1840～1879年焦耳用了近40年的时间，不懈地钻研和测定了热功当量。他先后用不同的方法做了400多次实验，得出结论：热功当量是一个普适常量，与做功方式无关。焦耳当时测得热功当量值为425kg·m/千卡或4.16J/卡，与现在采用的热功当量值427kg·m/千卡或4.18J/卡，差0.5%。这说明了焦耳不愧为真正的实验大师。他的这一实验常数，为能量守恒与转换定律提供了无可置疑的证据。Joule’sExperimentQ-heatinJoulesorcaloriesm-massinkilogramsDT-changethetemperatureinKelvinChasunitsofJ/kgKorkcal/kgK1calorie=4.184Joules不屈不挠的焦耳焦耳的工作开始也没有得到人们的重视。1844年英国皇家学会拒绝他宣读论文。1847年英国科学促进会本来也只让他报告实验提要，对他的发言不准备讨论的，但由于汤姆孙的临场质疑，客观上引起了听众对新理论的强烈兴趣，并使焦耳的论文受到了科学界的注意。

威廉汤姆森（1824-1907，被封为开尔文勋爵，创立热力学温标并为该温标单位）是一位著名的数学教授，他8岁随父亲去格拉斯哥大学听课，10岁正式考入该大学，乃是一位奇才。1847年，当29岁的焦耳在牛津召开的英国科学协会会议上再次报告他的成果时，但由于汤姆孙的提问从而引起了听众对新理论的强烈兴趣，也使焦耳的论文受到了科学界的注意。后来两人合作得很好，共同进行了多孔塞实验（1852），发现气体经多孔塞膨胀后温度下降，称为焦耳－汤姆孙效应，这个效应在低温技术和气体液化方面有广泛的应用。

现代热力学之父威廉·汤姆森(WilliamThomson)不屈不挠的焦耳汤姆孙参观了焦耳的试验室里各种自制的仪器，他深深为焦耳的坚韧不拔而感动。汤姆孙真诚地对焦耳说：“请您原谅，一个科学家在新观点面前有时也会表现得很无知的。”以后他们便经常会面，并从此成为好友。1853年，两人终于共同完成能量守恒和转化定律的精确表述。焦耳的这些实验结果，在1850年总结在他出版的《论热功当量》的重要著作中。他的实验，经多人从不同角度不同方法重复得出的结论是相同的。1850年焦耳被选为英国皇家学会会员。亥姆霍兹赫尔曼·路德维希·斐迪南德·冯·亥姆霍兹（HermannLudwigFerdinandvonHelmholtz，1821～1894）德国物理学家、数学家、生理学家、心理学家。一切科学都可以归结到力学。强调了牛顿力学和拉格朗日力学在数学上是等价的，因而可以用拉氏方法以力所传递的能量或它所作的功来量度力。所有这种能量是守恒的。亥姆霍兹发展了迈耶（JuliusRobertMayer）、詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（JamesPrescottJoule）等人的工作，讨论了已知的力学的、热学的、电学的、化学的各种科学成果，严谨地论证了各种运动中能量守恒定律。

1847年他在德国物理学会发表了关于力的守恒讲演，这次讲演内容后来写成专箸《力之守恒》出版。

亥姆霍兹1847年的论述没有立即得到普遍的同意，他的年长的同事们担心这些论述中包含有复活黑格尔自然哲学中的空想的成份而拒绝发表他的文章。后来，他不得不以小册子的形式在柏林单独出版了这篇论文，只有数学家雅可比对他的论文感到兴趣，直到1860年左右，能量守恒定律才得到普遍承认和更广泛的应用。为了证明能量守恒定律成立，他拿出了一个支持他观点的杀手锏：早在1775年巴黎科学院就做出决定，不再接受有关永动机观点的申述，并将其归于不可实现一类的范畴。一个系统内部的能量的变化ΔE等于产生这种变化所吸收的热量Q加上所耗的功W永动机的想法起源于印度，公元1200年前后，这种思想从印度传到了伊斯兰教世界，并从这里传到了西方。在欧洲，早期最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来的。如图所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。1永动机的起源方案的设计者认为，右边的球比左边的球离轴远些，因此，右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去，并且带动机器转动。仔细分析一下就会发现，虽然右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。于是，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停在右图中所画的位置上。1永动机的起源文艺复兴时期意大利的达·芬奇也造了一个类似的装置，他设计时认为，右边的重球比左边的重球离轮心更远些，在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息，但实验结果却是否定的。达·芬奇敏锐地由此得出结论：永动机是不可能实现的。事实上，由杠杆平衡原理可知，上面两个设计中，右边每个重物施加于轮子的旋转作用虽然较大，但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明，总会有一个适当的位置，使左右两侧重物施加于轮子的相反方向的旋转作用（力矩）恰好相等，互相抵消，使轮子达到平衡而静止下来。2达·芬奇的永动机汲水器，把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想，整个装置可以这样不停地运转下去，并有效地对外做功。实际上，流回水槽的水越来越少，很快水槽中的水就全部流进了下面的蓄水池，水轮机也就停止了转动。3斯特尔的永动机

16世纪70年代，意大利的一位机械师斯特尔又提出了一个永动机的设计方案。他在设计时认为，由上面水槽流出的水，冲击水轮转动，水轮在带动水磨转动的同时，通过一组齿轮带动螺旋△自动轮骗局：1714年，德国人奥尔菲留斯声称发明了一部名为自动轮的永动机，这部机器每分钟旋转六十转，并能够将16公斤的物体提高相当的高度，当他宣布了这一消息并进行了公开实验后，名噪整个德国。1717年一位来自波兰的州长在验看了安放自动轮的房间后，派军队把守这座房屋，40天他发现自动轮仍在转动，便给奥尔菲留斯颁发了鉴定证书。奥尔菲留斯靠展出自动轮获取了大量金钱，俄国沙皇彼得一世甚至与他达成价值10万卢布的购买协议。最终由于奥尔菲留斯的太太与女仆发生争执，女仆愤而曝光，原来自动轮是依靠隐藏在房间夹壁墙中的女仆牵动缆绳运转的，整个事件是一个骗局。永动机骗局△王洪成骗局：中国哈尔滨人王洪成曾在1984年提出一个永动机方案，他利用他设计的永动机驱动自家的洗衣机、电扇等装置运转，不久骗局被揭穿，他制作的永动机模型是用隐藏的钮扣电池驱动的一个电动马达，而供应洗衣机、电扇运转的则是暗藏在地下的电线。1998年，王洪成的另一个骗局“水变油”被揭穿，他本人也因此入狱。永动机骗局另外在1980年代的巴黎博览会上，曾展出过一种“永动机装置”：这个装置是一个不停转动的大轮子，参观博览会的观众对这架永动机非常好奇，纷纷逆旋转方向推动轮盘，以期阻止轮子的转动。这个永动装置的设计者正是利用了观众的好奇心，让他们向后转动轮盘的动作为永动机上紧发条，维持装置的运转。此外，前国民党军队第12兵团司令官黄维，1948年在国共内战的徐蚌会战被俘之后，送至功德林战犯管理所接受“改造”，至1975年释放期间，他不顾众人异议，在所内潜心研制永动机，十分有名。最后当然仍以失败告终。

永动机骗局

什么是能做的，什么是不能做的；

帮助我们排除不可能性，最大限度保存有用的资源，避免做无用功；热力学第一定律带给我们的智慧对于热力学第一定律，其原理是经过人类一个世纪的反复验证的，就是说“绝不可能获得永动机”即制造一台发动机可周而复始地做功或产生动能，而没有任何消耗，这是不可能的……——普朗克自然法则蒸汽机带来的学问

妖从来都没赢过墓碑上的公式提纲

妖或人对热力学第二定律的质疑从来没有赢过。——MusserG.《科学美国人》麦克斯韦妖——MaxwellDemon科学研究没有禁区，总是有人在寻找着热力学第二定律的反例，其中最著名的就是1871年物理学家麦克斯韦设计的一个头脑实验—麦克斯韦妖。他假设了一个密闭的容器，由一个没有摩擦力的隔板分成AB两部分，隔板上有个由妖魔控制的阀门。起初两侧温度相同，当高速分子由A向B运动或慢速分子由B向A运动时，妖魔就打开阀门令其通过，反之，当高速分子由B向A运动或慢速分子由A向B运动时，妖魔就关闭阀门。久而久之，高速分子都跑到了B区，慢速分子都跑到了A区，于是随着时间的继续，在没有能量消耗的情况下，容器右边越来越热，左边越来越冷，当温差形成时，便可以利用温差发动一台热机做功。这只想象中的妖魔打破了“封闭系统的熵只能增加”的热力学第二定律。科学界将这类违背热力学第二定律的热机称为“第二类永动机”。AB/movie/2012/3/S/5/M7S6P0RL8_M7S9160S5.html

热力学第二定律告诉我们，一旦某一系统中的达到了温度均衡，就无法在从系统中吸取功了。而系统中单个分析的能量是不均等的，那么依据系统内各分子能量不均的条件，能建立第二类永动机吗？上述例子中的整个系统包括：容器，气体，活动门和妖，活动门在打开和关闭时是一个耗费能量的机械装置，而且随着气体分子向右输运越来越多，它的作用越来越小，活动门本身和它的控制作用都受到温度波动的制约。妖是如何观察单个分子的？因为是同一温度下被隔绝的封闭系统，整个系统充满均质发热的气体分子，它不可能看见什么，必须借助于闪光信号灯之类的照明工具才能看到单个气体分子。那么就有额外的热源引入打破了这个“封闭系统”。捉妖记——“妖”在哪里？没有付出就不会有收获，甚至更不会观察到什么。——GaborDennis（1900-1979）1971年诺贝尔物理学奖得主“麦克斯韦妖”实际上必须消耗能量来确定哪个分子是热的、哪个分子是冷的。——匈牙利物理学家冯·劳厄（1879-1960）1914年诺贝尔物理学奖得主想在微观水平上推翻热力学第二定律是徒劳的。——费曼理查德・费曼（RichardP.Feyrman）1918年出生，1939年于麻省理工学院毕业后，进入普林斯顿大学研究院，又加入罗拉拉摩斯实验室，对原子弹的发展贡献卓著。1965年与薛温格和朝永振一郎共获诺贝尔物理奖。1988年2月因患癌症辞世。费曼的思想如天马行空，喜自辟蹊径，且从不固执，求知欲极强。他很爱恶作剧，但往往只为点出世间许多荒谬之处。确如《洛杉矶时报》所说的，“任何读这本书而不大笑出声的人，心理一定有毛病。”20世纪50年代，法国物理学家布里渊用信息论驱逐了这只妖魔，捍卫了热力学第二定律的正确性。布里渊在其专著《科学与信息论》及一系列论文中，从信息论的角度分析了妖魔的分辨本领及控制能力的来源。由于容器是密闭的孤立系统，妖魔处于绝对黑体中，它是不可能看清任何东西的，当然也就无法分辨分子运动的速度和方向，系统只能继续处于原来的平衡态中。除非外面提供光亮，它才有可能看清楚并正确控制阀门，从而增加系统的有序性并使熵减少，但这种有能量输入的系统就不再是孤立系统了，当然就不再适用于热力学第二定律了。捉妖记——信息熵布里渊还进一步分析了信息论中的熵与热力学中的熵的定量关系，得出了公式1bit=kln2(J/K)，其物理意义是：要获取1bit的信息，其熵必定减少kln2=0.957×10-23(J/K)，其中k=1.38×10-23(J/K)。例如T为300K时，则要消耗2.87×10-21（J）的能量。信息的获取必须借助于一定的物质过程，而且伴随着一定能量的消耗，不耗损能量而获得信息是不可能的，所以说孤立系统中的妖魔是不可能存在的。1961年，IBM物理学家罗夫·兰道尔（RolfLandauer）证明，重置1比特的信息都会释放出热量，也就是说，将计算机中的一个二进制比特位置零，不管初始值为1或0，都会释放出极少的热量。信息转化为能量？2010年，《自然-物理学》网络版报道，日本中央大学理工学部的鸟谷部祥一和东京大学的佐野雅树领导的团队在实验室让一个直径为287纳米的聚苯乙烯小球沿电场制造的微小旋转阶梯向上爬动，并将小球拍照。小球可以随机朝任何方向运动，由于向上爬会增加势能，因此其往下一层的概率更大，如果不人为干扰，小球最终会掉至最底层。在实验中，当小球沿阶梯向上爬一层后，研究人员就使用电场在小球爬上的那层阶梯加一面“墙”，让小球无法回到低的那一层，这样小球就能一直向上爬。该小球能爬阶梯完全由“自己的位置”这一信息所决定，研究人员无需施加任何外力(比如注入新能量等)，仅需一个感应系统(比如摄像机)。另外，他们也能精确地测量出有多少能量由信息转化而来。这同样也是一个熵减过程实验，其主要贡献是纳米尺度上的精密控制新技术。“孤立系统”是热力学第二定律的熵增原理必不可少的条件，而这项研究借助的系统不是孤立系统，而是与外界有能量交换的开放系统，这里使用的是电能。研究结论不仅不是对热力学第二定律的挑战，恰恰相反，是对该定律的验证，若把实验室的电闸拉了，什么也不会发生。新实验直接证明了信息可以转化为能量，尽管如此，新技术仍无法解决人类目前面临的能源危机。“在将信息转化为能量时，真正的能源成本掩藏于外部（包括实验的操作者），因此，该实验就如同人们试图使用原子核聚变来产生能量，其实核反应本身耗费的能源可能更多。”蒸汽机发明了，如何提高效率？热力学第二定律——能量转化效率热泵系统卡诺定理尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺（NicolasLéonardSadiCarnot1796年－1832年单独提供热不足以给出推动力，必须还要有冷，没有冷，热将是无用的……——桑迪卡诺《关于火的动力及专门产生这种动力的机器的见解》

卡诺效率在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切实际热机，其效率都不会大于在同样的热源之间工作的可逆卡诺热机的效率。提高热机效率指明了方向在自然条件下任何事物，包括能量，不可能无缘无故地消失。当热流体自由地从一个热物体流向一个冷物体，机械能是怎么不通过热机而以直接减少的方式消失的？消失的能量去哪里了？鲁道夫·尤利乌斯·埃马努埃尔·克劳修斯（1822年1月2日－1888年8月24日），德国物理学家和数学家，热力学的主要奠基人之一。statesinwhichdirectionaprocesscantakeplaceheatdoesnotflowspontaneouslyfromacoldtoahotbodyheatcannotbetransformedcompletelyintomechanicalworkitisimpossibletoconstructanoperationalperpetualmotionmachineintroducesconceptofentropy自然法则蒸汽机带来的学问

妖从来都没赢过墓碑上的公式提纲在整个物理学中没有哪个概念比熵更难理解，也没有哪个概念比熵更重要。——美国物理学家西尔斯（1898-1975）什么是熵propertythatindicatesthedirectionofaprocessentropyisameasureofdisorderentropyisameasureofasystem’sabilitytodousefulworkentropydeterminesdirectionoftimetheentropyofanisolatedsystemincreases熵是一种世界观自然过程的方向性人们通过大量观察、实验，概括出热现象的自然规律——热力学第二定律

克劳修斯表述：不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化（即热量不会自动地从低温物体传到高温物体）外界需对系统作功，就属“其它变化”。此表述说明热传导过程的不可逆性。德国物理学家和数学家，热力学的主要奠基人之一。他重新陈述了萨迪·卡诺的定律（又被称为卡诺循环），把热理论推至一个更真实更健全的基础。第二类永动机统计意义上的热力学第二定律

开始时，4个分子都在A部，抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分布情形如下图所示：微观态共有24=16种可能的方式，而且4个分子全部退回到A部的可能性即几率为1/24=1/16

一般来说，若有N个分子，则共2N种可能方式，而N个分子全部退回到A部的几率1/2N.对于真实理想气体系统1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为

对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B部的过程原则上是可逆的。但对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。热力学第二定律所表达的不可逆性质实际上是这样一种统计必然性：对于一个不受外界影响的孤立系统，其内部发生的任何过程，总是从几率小的状态向几率大的状态进行。这就是热力学第二定律的统计意义．熵是热力学系统中几率或无序度的量度，几率越大，无序度越高则熵越大。所以孤立系统中一切实际过程是向着熵增加的方向进行。二.热力学第二定律的统计意义熵的统计定义式ksWlnWs系统处于该宏观态时的熵系统处于某一宏观态的热力学概率（即该宏观态所含微观态的数目）k玻耳兹曼常量三.表述为熵增加的热力学第二定律

熵这个物理量．它是根据热力学第二定律确定的一个新的状态函数