产业革命与现代工业课件

1產業革命與現代工業2§1能量守恆定律的發現3

能量守恆定律的發現談到能量守恆原理，我們應當記得萊布尼茲最早提出的活力守恆定律。在萊布尼茲時代，動量守恆、角動量守恆、以及活力守恆定律相繼建立起來了。人們本來可以繼續發展已有的結果得到更為廣泛的守恆定律。但是由於人們對熱的本質瞭解得還不多，而且認為熱是一種由“熱素”產生的運動。所以在萊布尼茲之後的100年裏，在守恆定律的研究方面一直是停止不前的。到了19世紀中葉，由於人們對熱有了清楚的認識，在最一般意義之下的守恆定律才被發現。即使是這樣，發現的過程也是很曲折的。4永動機的研究熱潮永動機的想法起源於印度，西元1200年前後，這種思想從印度傳到了伊斯蘭教世界，並從這裏傳到了西方。1635年，在英國註冊了第一個永動機的專利，到1903年左右註冊的就有大約600個永動機的專利。1911年，美國專利局規定任何永動的機械專利必須實際運行一年後才能申報。不過之後還是有許多永動機的專利註冊。5各種不同的永動機6托馬斯·楊與他的研究托馬斯·楊（ThomasYoung,1773,5,10－1829,5,10）是一位多才多藝的神童，他兩歲就能讀書，四歲可以讀聖經。青年時期學會了十幾門外語，會演奏多種樂器。後來楊開始學醫，並且去德國求學，1796年獲哥廷根大學的博士學位，1799年回國在倫敦開業行醫，之後在皇家學院講授自然科學，並於1802年被任命為皇家學會的外交秘書。7楊的主要貢獻是在光學方面，他因為對聲學研究得到的啟示，認為光也應當存在干涉現象。他是光的波動說在沉寂了近百年後，又重新振興的早期學者之一。但是由於英國有牛頓的微粒說統治，波動說不是“國貨”，所以在英國沒有多少支持者，倒是反對者不少。法國人夫瑞奈爾（AugustinJeanFresnel,1788－1827）繼承了並且用實驗證實了楊的學說，才使波動說被廣泛承認，在後來的100年左右中居於主導地位。8“能量”一詞，最早出現於托馬斯·楊（ThomasYoung,1773,5,10－1829,5,10）在1807年出版的《自然哲學講義》(ACourseofLectureonNaturalPhilosophyandMechanicalArts)在《碰撞》一講中。他說：“在應用力學碰到的幾乎所有的情況中，對於產生運動所必要的功，並不是與力矩成正比，而是與這個功所引起的運動的能量成正比。”他還說：“應當用能量一詞來表示物體的品質或重量與表示速度的數的平方的積。”他的建議一直沒有引起多大的注意，人們還是用“力”的概念去表示能量。9在同一本書中，他定義了“彈性模量”，至今人們還是把彈性模量稱為楊氏模量。他還在揭示表面張力現象方面作出了貢獻。晚年他對埃及古文字產生了興趣，寫了一些很有影響的有關埃及歷史與古文字的論文。10托馬斯·楊ThomasYoung

1773－182911邁爾在能量守恆方面的工作邁爾（JuliusRobertMayer,1814－1878）是德國的物理學家。大學時學醫，但他並不喜歡當醫生，他當過隨船醫生，工作比較清閒。大約是在1840年去爪哇的航行中，由於考慮動物體溫問題而對物理學發生了興趣。當時許多人進行永動機的實驗都以失敗而告終，從童年時期就給他留下了深刻的影響。這些使他猜想“機械功根本不可能產生於無”。

12

邁爾

JuliusRobertMayer

1814－187813在1841年9月12日他給友人的信中最早提及了熱功當量。他說：“對於我的能用數學的可靠性來闡述的理論來說，極為重要的仍然是解決以下這個問題：某一重物（例如100磅）必須舉到地面上多高的地方，才能使得與這一高度相應的運動量和將該重物放下來所獲得的運動量正好等於將一磅0℃的冰轉化為0℃的水所必要的熱量。”141842年3月，邁爾寫了一篇短文《關於無機界的力的看法》寄給了《藥劑學和化學編年史》的主編、德國化學家李比希（JustusvonLiebig,1803－1873），李比希立即答應使用這篇文章。機械的熱功當量在這篇文章中得到第一次說明。文中說：“人們發現，一重物從大約365米高處下落所做的功，相當於把同重量的水從0℃升到1℃所需的熱量。”他的文章發表於1842年5月。15邁爾是最早進行熱功當量實驗的學者，在1842年，他用一匹馬拉機械裝置去攪拌鍋中的紙漿，比較了馬所做的功與紙漿的溫升，給出了熱功當量的數值。他的實驗比起後來焦耳的實驗來，顯得粗糙，但是他深深認識到這個問題的重大意義。他在1842年底給友人的信中說：“我主觀認為，表明我的定律的絕對真理性的是這種相反的證明：即一個在科學上得到普遍公認的定理：永動機的設計在理論上是絕對不可能的（這就是說，即使人們不考慮力學上的困難，比方說摩擦等等，人們也不可能成功地由思想上設計出來）。而我的斷言可以全部被視為從這種不能原則中得出的純結論。要是有人否認我的這個定理，那麼我就能立即建造一部永動機。”16邁爾的論文沒有引起社會重視，為了補足第一篇論文沒有計算、過於簡要的缺點，他寫了第二篇論文，結果如石沉大海，沒有被採用。他論證了太陽是地球上所有有生命能與非生命能的最終源泉。後來亥姆霍茲與焦耳的論文相繼發表，人們將能量守恆定理的發明人歸於亥姆霍茲與焦耳。而他的論文既早又系統，卻不僅得不到承認，而且還招來了一些攻擊文章。再加1848年，他禍不單行，兩個孩子夭折、弟弟又因參加革命活動受牽連。1849年，邁爾從三樓跳下，從此成為重殘，而後又被診斷為精神分裂，送入精神病院，醫生們認為他經常談論的那種新發現，是一種自大狂的精神病症狀。邁爾的首先發現能量守恆定理，一直到1862年才得到社會公認。17亥姆霍茲與他的《論力的守恆》亥姆霍茲（HermannvonHelmholtz,1821－1894）出生在一個德國的窮教員家裏，1838年，17歲的亥姆霍茲儘管在中學入學考試中獲得十分優異的成績，可是因為交不起學費而只好去作軍醫達8年之久。1842年亥姆霍茲獲得了博士學位。1845年他參加了由年輕的學者組織的柏林物理學協會，之後他經常參加協會活動，除作軍醫之外他還研究一切他感興趣的問題。181847年7月23日他向物理學協會作了題為《論力的守恆》的著名報告。報告後，他將文章交給《物理學編年史》的編輯，不料又和6年前邁爾的稿件一樣的命運，編輯以沒有實驗事實而拒絕刊登。後來他將這篇論文作為小冊子在另一家有名的出版社出版了。文章的結論與1843年焦耳的實驗完全一致，很快就被人們稱為“自然界最高又最重要的原理”。時間僅差數年，又由於有有名的出版社出版，他與邁爾的命運完全不同。後來英國學者開爾文采用了楊所提出的能量的概念，採用“勢能”代替“彈力”，以“動能”代替“活力”，使在力學中延續了近200年的概念上含混不清的情況得到改變。19亥姆霍茲在德國科學家發展中所起的組織作用。1870年，他的老師馬格努斯（HeinrichGustavMagnus,1802－1870），德國最早的物理研究所所長，逝世了。當時還是副教授的亥姆霍茲繼任為所長。那時，德國的科學研究水準，比起英國與法國要落後得多。不久普法戰爭結束，德國從法國得到一大筆賠款，德國的經濟狀況有所改善，亥姆霍茲得到了300萬馬克的經費去籌建新的研究所，經過5年的努力新研究所建成。這個研究所後來吸引了大批優秀的年輕學者，而且它的研究課題同工業的發展緊密聯繫，後來形成德國科學研究的一個十分好的傳統。

20亥姆霍茲HermannvonHelmholtz

1821－189421

焦耳的熱功當量實驗

焦耳（JamesPrescottJoule,1818－1889）是一位英國富有的釀造商之子，他的經濟條件可以提供他終生做研究工作。焦耳自幼身體虛弱，脊柱曾受過傷，因此他一心讀書研究，他父親為他提供了一個家庭實驗室。1835年他認識了曼徹斯特大學的教授道爾頓，受到過後者的指導，焦耳的成功主要是靠自學的。焦耳對數學的知識很少，他的研究主要是靠測量。1840年他經過多次測量通電的導體，發現電能可以轉化為熱能，並且得出一條定律：電導體所產生的熱量與電流強度的平方、導體的電阻和通過的時間成正比。他將這一定律寫成一篇論文《論伏打電生熱》。22後來焦耳繼續探討各種運動形式之間的能量守恆與轉化關係，1843年他發表了論文《論水電解時產生的熱》與《論電磁的熱效應和熱的機械值》。特別在後一篇論文中，焦耳在英國學術會議上宣稱：“自然界的能是不能毀滅的，那裏消耗了機械能，總能得到相當的熱，熱只是能的一種形式。”此後焦耳不斷改進測量方法，提高測量精度，最後得到了一個被稱為“熱功當量”的物理常數，焦耳當時測得的值是423.9千克米/千卡。現在這個常數的值是418.4。後人為紀念他，在國際單位制中採用焦耳為熱量的單位，取1卡＝4.184焦耳。23焦耳

JamesPrescottJoule

1818－188924焦耳的熱功當量實驗示意圖

25§2蒸汽機的發明與應用26隨著機器的廣泛採用，金屬的需要大量增加。而冶煉金屬不僅要開挖金屬礦，還需要大量煤。1533年英國煤產量為20萬噸，到1640年激增到150萬噸。英國的生鐵冶煉也隨著大量增加，1780年為10萬噸，1800年為25萬噸，到1820年增加到43萬噸。27採礦工業的發展，產生了礦井排水問題。1698年英國人托馬斯·塞維利（ThomasSavery,1650－1715）發明了利用蒸汽壓力的抽水泵――“礦山之友”，並且報了專利。它的工作過程是：在容器中通入蒸汽，使蒸汽在容器中凝結，利用蒸汽凝結後所形成的真空把礦井中的水抽上來。這種泵有兩大缺點，一方面是對地下水位較低（低於水泵10m）時就抽不上水，另一方面是由於突然進入容器的蒸汽壓力過高而易於爆炸。因此很少被採用。281712年，英國人托馬斯·紐可曼（ThomasNewcomen,1663－1729）發明了大氣壓蒸汽機。這種機器具有汽缸與活塞,在工作時,先把蒸汽導入汽缸,這時汽缸停止供汽而汽缸內進水,蒸汽便遇冷凝結為水使汽缸內氣壓迅速降低，就可以使水吸上來。之後再把蒸汽導入汽缸，進行下一個迴圈。最初的這種蒸汽機大約每分鐘往返十次，而且可以自動工作，使礦井的抽水工作大為便利，所以不僅英國人使用，在德國與法國也在使用。

早期的蒸汽機29鈕可曼

的

蒸汽機30用於

礦山

抽水

的

蒸汽機31瓦特對蒸汽機的改進蒸汽機不是瓦特的發明，瓦特的貢獻是對蒸汽機進行了一系列改進。

其中最重要的改進有兩項，一項是發明了冷凝器大大提高了蒸汽機的效率，另一項是發明了離心調速器使蒸汽機速度可自由控制。在瓦特的改進之後蒸汽機才真正在工業上被普遍使用。32英國人瓦特（JamesWatt,1736－1819）的父親作過木匠，由於父親的影響，他從小熟悉一些機械知識與工具的使用。瓦特幼年時體弱多病，不能上學，由他母親教他讀書寫字。18歲後他到倫敦一家鐘錶店當學徒，在業餘時間還努力學習。1756年瓦特返回家鄉蘇格蘭,打算自己開業製造機器。但是由於他當學徒的年限不夠，按照當地政府的規定，不能獨立開業。於是他只好在格拉斯哥大學謀得一個修理與制做教學儀器的工作。33瓦特JamesWatt

1736－1819

341763年，格拉斯哥大學的一位教授委託瓦特修理紐可曼蒸汽機的模型，瓦特當時對蒸汽機所知不多，他便邊學邊修，並且對蒸汽機產生了濃厚的興趣。蒸汽機的模型很快就修好了，他從此與蒸汽機結下了不解之緣。他進一步的研究發現，紐可曼的蒸汽機效率很低，耗費蒸汽太多。為了解決這個問題，瓦特對不同氣壓之下的水的沸騰現象進行了大量研究。他發現水在大氣壓之下變為蒸汽時，體積擴大了1800倍。進一步的研究發現，紐可曼的蒸汽機效率之所以低是由於在用水去冷卻汽缸時，汽缸的溫度變冷了，這樣汽缸又要消耗過多的蒸汽去再加熱。351765年5月瓦特提出了使蒸汽從汽缸排入另一容器的想法，這個容器後來被稱為冷凝器。經過反復試驗與改進，他的裝有冷凝器的蒸汽機在1769年製成了，並在同年的4月25日提出了專利。新的蒸汽機效率提高了很多。36瓦特的另一項重要發明是在蒸汽機上安裝了離心調速器，這大約是1782年前後的事情。這種調速器的構造是利用蒸汽機帶動一根豎直的軸轉動，這根軸的頂端有兩根鉸接的等長細杆，細杆另一端各有一個金屬球。當蒸汽機轉動過快時，豎軸也轉動加快，兩個金屬小球在離心力作用下，由於轉動快而升高，這時通過與小球連接的連杆便將蒸汽閥門關小，從而蒸汽機的轉速也便可以降低。反之，若蒸汽機的轉速過慢，則豎軸轉動慢了，小球的位置也便下降，這時連杆便將閥門開大，從而使蒸汽機轉速加快。離心調速器是一個基於力學原理的發明，他是蒸汽機所以能普及應用的關鍵,也是人類自動調節與自動控制的開始。由於人們能夠自由地控制蒸汽機的速度，才使蒸汽機應用於紡織、火車、輪船、機械加工等行業，才使人類大量使用自然原動力成為可能，這才有產業革命的第二階段。37瓦特的調速器38瓦特的蒸汽機39瓦特因為改進與提高蒸汽機效率的需要，研究了功率的單位。1783年，他對一匹健壯的馬進行了實測，確定它在一秒鐘內能將150磅的重物提高約不到4英尺。因此他把一馬力規定為550英尺磅。他是最早引進功率概念的人，後人為了紀念他，將公制的功率單位稱為瓦特（每秒鐘一焦耳）。40應當說，瓦特改進蒸汽機的成功，除了他自己的勤奮之外，他幸運地遇到了熱情贊助者也是重要條件。在格拉斯哥大學時，他結識了當時在大學當教授的布拉克（JosephBlack,1728－1799）。布拉克是一位很有名的化學家與物理學家，在物理學上，他從1764年開始對熱現象進行了系統的研究。他最早發現了水在相變時，即當由冰化為水或由水化為汽時，要吸收大量的潛熱，從而分清了溫度與熱量是兩個不同的概念。瓦特從他那裏不僅得到了學識上的幫助，他的熱力學知識與力學知識為瓦特改進蒸汽機提供了理論基礎，而且他借給瓦特一大筆錢，為瓦特的研究提供了經濟支持。在瓦特的研究初具眉目時，瓦特又遇到了一位獨具慧眼的商人波爾頓（MatthewBoulton,1789－1864）投資，1775年成立了波爾頓－瓦特公司專門生產蒸汽機。41布拉克JosephBlack

1728－1799

42波爾頓MatthewBoulton

1789－186443瓦特的改進蒸汽機的普及速度是很快的，到1790年老式的紐可曼蒸汽機已經看不見了，到1790年大約有500臺蒸汽機在英國工作。經過了大約不到100年，到了1868年，僅僅在英國就有75,000臺蒸汽機之多。1805年，在美國蒸汽機被裝上了汽車作為動力。1807年，美國的富爾頓（RobertFulton,1765－1815）發明以蒸汽機為動力的輪船。44富爾頓RobertFulton

1765－1815

45461825年斯梯文森（GeorgeStephenson,1781－1848）造成了可以在軌道上行駛的蒸汽機車。1800年英國的特裏維希克（RichardTrevithik,1771－1833）發明了高壓蒸汽機。1801年美國人埃文思（OliverEvens,1755?－1819）造出了真正合用的高壓蒸汽機。（合10個大氣壓）47斯梯文森

GeorgeStephenson

1781－18484849特裏維希克RichardTrevithik

1771－1833502001年4月28日紀念特裏維希克51狄塞爾的內燃機德國人狄塞爾(RudolfDiesel,1858-1913)曾花費10年多研究活塞式內燃機，寫了一本小冊子，並且獲得了專利。1893年狄塞爾造出了第一臺樣機。這種內燃機的優點是：可以燒便宜的重油；不需要點火系統。缺點是噪音大。52狄塞爾

Rudolf

Diesel

1858-191353狄塞爾

的內燃機54內燃機的運動過程5556§3熱力學第二定律57熱力學第二定律在熱力學中，熱力學第一定律，即前面所說的能量守恆定律的發現是與關於永動機的研究緊緊相聯系著的。而熱力學第二定律的發現則是和改進與提高蒸汽機的效率緊緊聯繫著的。最早從理論上討論蒸汽機的熱效率的是法國人卡諾（NicolasLéonardSadiCarnot,1796－1832）。卡諾出身於法國的望族，他的父親是法蘭西第一共和國拿破倫一世政府的重要官員，他的侄兒後來在法國第三共和國中擔任了總統，而他卻沒有從政，成為一名科學家。不幸的是他在36歲時便死於流行霍亂。58卡諾NicolasLéonardSadiCarnot

1796－183259瓦特改進了蒸汽機後，儘管效率有很大提高，但是仍然很低。，在卡諾的時代，只有4－5％。卡諾為熱機產生的功率問題所吸引，他從一般的觀點提出問題：一架熱機的效率最大能達到多大？在1824年出版了他的研究結果，題為《論火的動力》小冊子。這也是他一生中唯一的科學著作。60卡諾的結論是，熱機的最高效率取決於熱機內的溫度差。對於一般的蒸汽機來說，令是蒸汽的絕對溫度，是冷凝器的絕對溫度，則熱機所能達到的最大效率為。這個式子說明，熱機的效率只取決於這裏的兩個溫度，而與熱機使用的是什麼介質，是水、是空氣無關，也與在熱機中的溫度是怎樣變化的，是快、是慢，是均勻、是不均勻無關。卡諾的研究結果表明，熱量從高溫物體向低溫物體的趨勢使我們不可能從給定的熱量獲取最大的機械功。這便是後來稱為熱力學第二定律的內容。61在卡諾的結論提出後的20年，德國的物理學家克勞修斯（RudolfJuliusEmmanuelClausius,1822－1888）於1865年提出了“熵”的概念。他把熵的改變定義為與從溫度為的物體傳出的熱量之間有關系。當同樣多的熱量由另一溫度為的物體所吸收時，該物體的熵改變。這樣，如果低於，則兩個物體的熵改變將是正的。僅當兩個物體的溫度相同時熵改變才為零。也就是說，溫度總是從高到低傳播，和在變化過程中熵總是增加是等價的。這就是熱力學第二定律的一般表述。換句話說，在任何變化中，孤立系統中的熵總是趨於增加的。62克勞修斯RudolfJuliusEmmanuelClausius1822－188863熵增加的觀點，說明宇宙之間的物理變化是有方向的，它不像經典力學中的運動方程中將時間改變符號同樣可以求解。關於宇宙間的過程是不可逆的這一點，1874年英國物理學家W.湯姆遜有一段話說得好：“假如宇宙中每一個粒子的運動在某個任意的時刻都正好逆轉過來，那麼從此之後自然界的過程將永遠沿著完全相反的方向進行。瀑布在其底端濺起的泡沫將會重新聚集並落入水中；熱運動將會重新聚集它們的能量，使落下的水滴重新組成一股上升的水流。由固體互相摩擦而產生、因傳導、輻射及吸收而消耗的熱，將會複返固體相接觸的地方，並使運動物體抵抗它先前受到的力作反向運動。泥土將會變成礫石，礫石將會恢復它們原來參差不齊的形狀，最後重新將會成原先它們由之而碎裂的山峰。而且，如果關於生命的唯物主義假說是正確的，那麼生命將返老還童，它們所記憶的是將來而不是過去，最後變成未出生時的狀態。但是，真實的生命現象無限地超出人類科學的能力；關於它們的逆轉過程的後果假想的推測是完全無益的。”[1]

[1]

(美)G.Holton著，張大衛等譯，《物理科學的概念和理論導論》，上冊，人民教育出版社，1983，第425－426頁64蒸汽渦輪機的發明帕森斯（C.A.Parsons1854-1931

）早年曾在杜柏林大學和劍橋大學學習數學。他的數學才能幫助他處理汽輪機有關的力學問題。帕森斯1884年製成功率為7.5千瓦轉速為18000轉/分的汽輪機。1897年，他又用自己製成的汽輪機驅動輪船，時速達到每小時64公里。1889年成立帕森斯公司專門製造汽輪機發電機組。到1926年帕森斯公司制成多極雙排氣裝置的汽輪機功率達3萬千瓦。到20世紀50年代可以達到入口汽溫達到560°C。到20世紀70年代已經可以生產70萬千瓦的汽輪機發動機。65帕森斯

Sir

C.A.Parsons

1854-193166現代的汽輪機轉子6768水輪機69燃氣輪機流動示意圖70§4

電和電機71電和發電機法拉第(MichaelFarady,1791-1867)是倫敦鐵匠的兒子。13歲在倫敦的一家公司當差.後在一家裝訂廠當學徒到21歲時作為戴維(HumphryDavy,1778-1829)的實驗室的助手。1831年10月17日，法拉第發現當磁棒從線圈內抽出或插入時，線圈的導線上會有電流通過。72法拉第MichaelFarady

1791-186773發電機的發明後來法拉第繼續進行實驗以達到能夠作出實際可供應用的發電機。真正可供應用的發電機是德國物理學家雅可比(MoritzHermannvonJacobi,1801-1872)於1838年製成的。1847年雅可比成為彼得堡院士，這使他有條件更好、更複雜的電機。德國西門子（WernervonSiemens,1826-1901）研究出自激發電機原理，並於1867年寫出了論文。74西門子WernervonSiemens1826-190175愛迪生

Thomas

Edison

1847-193176愛迪生77交流電機1882年法國化學家、物理學家呂西安•戈拉德（LudienCaulard,1850-1888）申報了交流“電流二次發生器”的專利。1882年特斯拉（NikolaTesla,1856-1943）發明了交流多相非同步電機。19世紀末，他又發明了交流變壓器，解決了遠途輸電的問題。終於以交流電打垮了愛迪生對直流電的壟斷。78特斯拉NikolaTesla

1856-1943

79馬克斯威爾的工作馬克斯威爾（JamesMaxwell,1831-1879）出身於蘇格蘭的望族。從小顯示了數學才能。1850年入劍橋大學。畢業時為全班數學第二。