第6節(jié) 能量 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律 否定永動(dòng)機(jī)據(jù)說(shuō)永動(dòng)機(jī)的概念發(fā)端于印度，在公元12世紀(jì)傳入歐洲。據(jù)記載歐洲最早、最著名的一個(gè)永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案是13世紀(jì)時(shí)由法國(guó)V·亨內(nèi)考提出來(lái)的。隨后，研究和發(fā)明永動(dòng)機(jī)的人不斷涌現(xiàn)，盡管有不少學(xué)者研究指出永動(dòng)機(jī)是不可能的。文藝復(fù)興時(shí)期意大利學(xué)者達(dá)·芬奇曾經(jīng)花費(fèi)不少精力研究永動(dòng)機(jī)，最后得到永動(dòng)機(jī)不可制造的結(jié)論。同時(shí)代的J·卡丹（以最早給出求解三次方程的根而出名），也認(rèn)為永動(dòng)機(jī)是不可能的。第一類永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律，而第二類永動(dòng)機(jī)則違背了熱力學(xué)第二定律。隨著對(duì)永動(dòng)機(jī)不可能性的認(rèn)識(shí)，一些國(guó)家的專利局決定不再受理發(fā)明永動(dòng)機(jī)的專利申請(qǐng)。經(jīng)驗(yàn)性表述13世紀(jì)，人們開(kāi)始萌發(fā)制造永動(dòng)機(jī)的愿望。15世紀(jì)，偉大的藝術(shù)家、科學(xué)家和工程師達(dá)·芬奇投入了永動(dòng)機(jī)的研究工作。1475年，達(dá)·芬奇認(rèn)真總結(jié)了歷史上的失敗教訓(xùn)，得出一個(gè)重要結(jié)論：“永動(dòng)機(jī)是不可能造成的?！?他還認(rèn)識(shí)到，機(jī)器之所以不能永動(dòng)下去，與摩擦有關(guān)。于是對(duì)摩擦進(jìn)行深入而有成效的研究。但是達(dá)·芬奇始終沒(méi)有對(duì)摩擦阻礙機(jī)器運(yùn)動(dòng)作出科學(xué)解釋，尚不能認(rèn)識(shí)摩擦（機(jī)械運(yùn)動(dòng)）與熱現(xiàn)象之間轉(zhuǎn)化的本質(zhì)聯(lián)系。此后有一部分學(xué)者相繼得出“永動(dòng)機(jī)是不可能造成的”結(jié)論，并把其作為一條重要原理用于科學(xué)研究之中。荷蘭的數(shù)學(xué)力學(xué)家S·斯臺(tái)文，于1586年運(yùn)用這一原理通過(guò)對(duì)“斯臺(tái)文鏈”的分析，率先引出力的平行四邊形定則。伽利略在論證慣性定律時(shí)也應(yīng)用過(guò)這一原理。伽利略設(shè)計(jì)的第一類“永動(dòng)機(jī)”1673年，C·惠更斯在擺式時(shí)鐘一書(shū)中反映了這種觀點(diǎn)。把伽俐略關(guān)于斜面運(yùn)動(dòng)的研究成果運(yùn)用于曲線運(yùn)動(dòng)，從而得出結(jié)論：在重力作用下，物體繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其質(zhì)心不會(huì)上升到它下落時(shí)的高度之上。因而得出用力學(xué)方法不可能制成永動(dòng)機(jī)的結(jié)論。歷史上運(yùn)用“永動(dòng)機(jī)是不可能制成”的這一原理在科研上取得輝煌成就的是法國(guó)青年科學(xué)家卡諾。1824年卡諾推出“卡諾定理”，原理只能在機(jī)械運(yùn)動(dòng)和“熱質(zhì)”流動(dòng)中運(yùn)用，不是現(xiàn)代意義上的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，只是機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的能量守恒的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是定律的原始形態(tài)?！暗谝活愑绖?dòng)機(jī)是不可能造成的”是熱力學(xué)第一定律的另一種表述方式。在第一定律確立前，曾有許多人幻想制造一種不消耗能量，但可以作功的機(jī)器，稱為第一類永動(dòng)機(jī)。制造這種永動(dòng)機(jī)的努力的徹底失敗，從反面促進(jìn)了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的建立6  。熱力機(jī)械1798年，美國(guó)人C·朗福德發(fā)現(xiàn)用鏜具鉆削制造炮筒的青銅坯料時(shí)，金屬坯料發(fā)燙。朗福德注意到只要鏜鉆不停止，金屬就不停地發(fā)熱。結(jié)論是鏜具的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱，因此熱是一種運(yùn)動(dòng)形式，而不是以前認(rèn)為的是一種物質(zhì)。朗福德試圖計(jì)算一定量的機(jī)械能所產(chǎn)生的熱量，首次給出一個(gè)粗略的熱功當(dāng)量的數(shù)值。半個(gè)世紀(jì)后，焦耳提供了正確數(shù)值。1712年，英國(guó)人T·紐可曼發(fā)明了大氣壓蒸汽機(jī)。這種機(jī)器具有汽缸與活塞， 工作時(shí)先把蒸汽導(dǎo)入汽缸， 這時(shí)汽缸停止供汽而汽缸內(nèi)進(jìn)水，蒸汽遇冷凝結(jié)為水使汽缸內(nèi)的氣壓迅速降低，可以把水吸上來(lái)。之后再把蒸汽導(dǎo)入汽缸，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。最初的這種蒸汽機(jī)約每分鐘往返十次，可以自動(dòng)工作，使礦井的抽水工作大為便利。J·瓦特在18世紀(jì)后半葉對(duì)蒸汽機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)。其中最重要的改進(jìn)有兩項(xiàng)，一項(xiàng)是發(fā)明了冷凝器提高了蒸汽機(jī)的效率，另一項(xiàng)是發(fā)明了離心調(diào)速器使蒸汽機(jī)速度可以自由控制。在瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)之后，工業(yè)上才得到普遍使用。溫度計(jì)的發(fā)明關(guān)于熱的精確理論應(yīng)當(dāng)從制造溫度計(jì)開(kāi)始。17世紀(jì)，G·伽利略等人開(kāi)始制作溫度計(jì)。由于采用的溫標(biāo)使用不方便，后人很少使用。1714年，實(shí)用溫標(biāo)是德國(guó)物理學(xué)家D·華倫海開(kāi)始使用水銀做溫度計(jì)，并且不斷改進(jìn)，1717年確定了華氏溫標(biāo)。科學(xué)家正式確定華氏溫標(biāo)為：以水的沸點(diǎn)為212度，把32度定為水的冰點(diǎn)。這樣規(guī)定，是盡量使通常的溫度避免取負(fù)值。1742年至1743，瑞典天文學(xué)家A·攝耳修斯發(fā)明了攝氏溫標(biāo)，以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水的結(jié)冰溫度為零度，水的沸點(diǎn)為100度。1948年攝氏溫標(biāo)被國(guó)際度量衡會(huì)議定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。