我们的1654 作者:小样有型

    梅乐芝经理的科普文章（八）

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    第8节热-功

    功就是力（外因）对物体作用的效果（状态）累计。一桶水置于地面，地球对水有重力作用，但是水的位置不变，状态没有发生变化，则重力对水没有做功。提一桶水匀速前进，首先克服水的重力，剩下的力才是对水做功。水由静止进入匀速前进的过程中，力对水的状态有改变。当水匀速前进时，状态又不变了。那么此时就没有做功。很费力气地把水提行长距离，但做功就在刚刚开始提水的时间段。那么人费的力气做什么了？都在克服阻力去了，匀速前进阶段，水本身受力的总和为0！

    精确地描述功，就是物体在力的方向上前进的距离才算是力对物体作用的效果。如果力对物体进行作用，但是物体并没有在力的方向上有位置变动，则意味着一定存在什么因素，使得这个力劳而无功。那么功=力x距离（乘法就等于多个加法的进行，就是功的累计过程）。功的衡量单位是以英国人焦耳的名字命名。

    愚公移山，只要愚公有足够的时间，他一个人就可以解决这个问题。但时间永远是个问题。为了反映功的效率，就必须同时考虑功和时间。为此提出功率这个概念，就是一定时间内做的功。这个就容易衡量对物体作用的能力大小。那么功率=功/时间。功率的衡量单位是以英国人瓦特的名字命名。这多么英国人的名字出现不奇怪，毕竟工业革命是从英国开始，日不落帝国是依靠实力实现的，不是自我催眠的结果。

    瓦特的单位太小，一般使用千瓦做功率单位。马力也是常用功率单位，1马力=735瓦特。俗语也常用马力作为功率的代名词，比如说汽车马力大不大。100瓦大概是什么概念呢？现在健身比较流行，健身器材中哑铃有重有轻。100瓦相当于1秒内把10公斤重的哑铃举高1米。某个人身高18米，体重90公斤，深蹲在地上，1秒内站直，则双腿的功率大约是900瓦。

    功可以产生热，比如钻木取火。热可以产生功，比如蒸汽机。是否可以认为热和功其实是同一现象的不同体现呢？从分子的角度开看待这个问题。力作用在物体上，物体在力的方向上产生一定速度前进，物体内各分子本来都在运动，现在物体本身在运动，相当于分子在原运动的基础上又向力的方向运动。热是分子运动的综合。吸收热意味着分子运动速度加快，散发热意味着分子运动速度降低。那么功产生热其实是分子运动中的定向运动（物体速度）消失，转化为分子各自运动速度加快。热产生功则是分子运动速度降低，却带来了整体定向运动。

    焦耳花了很多年时间检验热和功的关系，试图找出双方的定量关系。最终验证了功产生热的关系：418焦耳（功）=1卡（热），称为热功当量。

    为了统一热和功的形式，我们换一种说法，热和功都是能量的外在形式，本质都是能量（功和能量在形式上相同，但有些区别。能量是物体具有的某种性质，功是物体做出的某种性质。换而言之，能量是物体所有，功是物体所为。）热和功的转换，意味着能量转换，能量总和保持不变。称之为能量守恒。

    功有多种存在形式，常见的就是势能和动能。势能就是位置变高，导致在回复原位置时可以产生动能。势可以理解为潜在的，势能就是潜在的、存储起来的能量。蓄势待发正说明了势能的作用。动能则完全是功基本定义的直接结果，因为力的作用使得物体运动，物体的惯性运动蕴含的能量完全等于力作用的积累。

    思考：

    1月球绕着地球转，月球的前进方向和地球引力始终垂直。地球引力虽然改变着月球的状态（月球的前进方向一直在变），却没有作出任何功。忽略的太阳木星等星体对月亮的影响，那么月亮的环绕从来就没有被地球改变过。（事实上月亮绕地球是椭圆轨道，在某个轨道阶段地球引力会轻微地做功，但最终月球的势能动能总和不变。）

    2机械时代的怀表或手表，都有上弦过程，这是在存储弹性势能。势能缓慢地释放成表的指针运动和内部机械运动动能。后期出现自动储能结构，手表在手臂晃动中存储动能，免去了上弦的步骤。

    3现在水电站非常多，刨去生态破坏和地质破坏因素外，这个是很绿色的能源。水库蓄水存储了大量重力势能，放水发电则是势能转为动能再转为电能。现在电力需求在不同时间差异很大，白天到晚上10点，电力供应紧张，深夜电力需求很小。现在可以使用势能存储办法来改善这种情况。深夜时，耗电抽水至水库，把电能存为势能。白天放水发电，将势能转为电能，补充电网。在自然界，大河周围存在许多湖泊。在洪水季节，湖泊可以大量蓄水，降低洪涝灾害程度。旱季又可以补充河水，是天然的弹性结构。

    4燃烧同重量木柴和火药，木柴释放的热量更大。但是火药可以瞬间把能量释放出来，虽然总能量不大，瞬间功率非常大。天空中的闪电，总能量不大，但也是瞬间释放，功率同样非常大。照相机的闪光灯，充电完成后就可以发出强光，进行拍摄。核电站的原子能释放功率巨大，必须增加大量附属设施降低功率。

    5能量守恒，得到能量的同时，意味着

    （本章未完，请翻页）其他地方在失去能量或能量的等价对象。砍伐树木烧火，获得热能，每年树木都在生长。树木的生长能量来自太阳。事实上，在地球上的任何可持续使用的能量，都是太阳能的转换。（原子能不是来自于太阳，是来自于以前的恒星爆炸遗迹。这些遗迹的残渣组成了地球，也就是说原子能来自于其他已经消失的太阳。）

    6能量存在的形式多样，热能、机械能、化学能、原子能、电磁能都是能量的不同形式。人工的某种能量转换过程，总是伴随着其他类型的能量转换。发电方式包括了多种能量转换方式：热能转电能，有热电、机械能转电能，有风电、水电、原子能转电能，有核电，电磁能转电能，有太阳能发电，化学能转电能，有燃料电池发电。无论哪种方式，能量转变为电能的效率达不到100%。多数都以热能的形式散发到大气中。自然的能量转换不存在这样的目的性。所以就没有效率这样的标准。

    热功当量表明，418焦耳的功可以转换为1卡的热量，但是并不意味着1卡热量可以转换为418焦耳功！热只对应分子运动速度，但对整体运动方向无要求。功却是要求运动整体有方向。要求更高。简单地说，功比热更有序，破坏比创造容易。

    法国人卡诺仔细研究热转功的问题，给出了理想热机的效率计算公式。即便是理想热机，效率也无法到100%。更不要说实际的热机，效率只会更低。人类设计了若干热机，将热转为功。

    最早就是蒸汽机，使用燃料加热水，生成高压蒸汽推动活塞产生定向运动。活塞带动一根摇臂轴和曲壁将往复运动转换为旋转运动。现在只能在博物馆见到的蒸汽机火车头，就是这类机械的应用。在军事竞争下，出现多胀式蒸汽机，高温蒸汽通过多个汽缸做功，提高了效率和功率。十九世纪末期，当时军舰采用多胀式蒸汽机做动力。随之出现了汽轮机（蒸汽涡轮机），高压蒸汽直接喷在涡轮上的叶片（想象风车的叶片），产生旋转运动。功率可以做得非常大，二十世纪初应用于军舰动力，现在多用于热电厂。核电厂发电，也是使用汽轮机进行。事实上，核动力航母、潜水艇，都是使用汽轮机为动力，而核反应堆无法产生动力，本质就是超大功率的锅炉，只能产生高压蒸汽。内燃机，采用汽油、柴油、可燃气体等，在气缸内直接燃烧生成高温高压气体推动活塞运动，略过了加热水生成高压蒸汽的过程，效率比蒸汽机高。由于体积小，功率适中，广泛应用于汽车工业，早期飞机也采用这类型发动机做动力（有一种内燃机，旺凯尔发动机，可以直接产生旋转运动）。由蒸汽机改为汽轮机的思路出发，内燃机改为燃气轮机。这种机械体积小，功率大，推重比高，用于飞机动力。火箭发动机则是原理最简单的喷气推进动力机械。燃料燃烧产生高温高压气体直接喷出，推动火箭前进。

    原理完全不同的热功转换装置：燃料电池。这种温和燃烧发生在质子膜上，并没有高温产生，直接转换为电力，是研究的热点。早在50年前就在宇宙飞船上使用，目前已经商业化。

    机械名称燃料工作方式驱动方式动力转换功率

    蒸汽机煤、重油燃烧加热水产生高温高压蒸汽蒸汽驱动活塞产生定向运动定向->旋转大

    汽轮机煤、重油、核反应加热水产生高温高压蒸汽高压蒸汽驱动涡轮叶片直接产生旋转运动无非常大

    内燃机轻油、可燃气燃烧直接产生高温高压气体高压气体驱动活塞产生定向运动定向->旋转中

    燃气轮机轻油燃烧直接产生高温高压气体高压气体驱动涡轮叶片直接产生旋转运动无大

    火箭发动机高能燃料燃烧直接产生高温高压气体高压气体直接喷出发动机外产生定向运动无非常大

    燃料电池氢气或其他可燃气体在质子膜上进行燃烧无直接产生电力中

    功转热，100%，热转功，必小于100%。比较功转热和热转功，可以发现，虽然能量守恒，发生能量转换时，能量中无序的热越来越多，有序的功越来越少。而能量转换随时在发生。我们定义自然（宇宙）的无序程度（混乱程度）为熵。那么就得出一个结论，自然越来越混乱。即自然的熵单调增加。熵与能量中的热量部分相关，但是温度增加也意味着热量增加，因此要扣除温度增加因素。所以熵=过程的热量/绝对温度

    熵单调增加，就意味着世界上很多事情是无法逆转的。比如人的死亡，热水和冷水混合成温水。宇宙会不会最终达到全体热平衡？这个无法估计，因为我们无法生存到那时候来验证。

    观察：

    1在热机应用中，根据情况不同，出现各种变形。斯特林发动机，可称之为外燃机。汽缸中气体不和外界交换，由外部的冷热交替来驱动汽缸活塞，通过曲柄来产生旋转运动。斯特林发动机效率非常高，可达80%。另外反过来供应机械能，斯特林发动机可以提供热量，变成热泵。使用风能做动力，就成空调了。并且不存在现代空调的缺陷，不使用任何有机致冷剂，对环境无污染。奎西发动机和旺凯尔发动机类似，但优势更大。燃料燃烧充分，污染小。发动机完全平衡，无振动。轻油

    （本章未完，请翻页）、气体均可使用。构造简约。

    2内燃机工作时，活塞输出动力仅在汽缸内部膨胀时进行。这样动力输出不连续。为了持续输出，一般都使用多个汽缸共同工作，不同汽缸之间输出动力有时延，保证随时都有汽缸在输出动力。多个汽缸的时延累计恰好等于活塞工作一个循环的时间。汽缸越多，输出越平稳，功率也越大。早期飞机使用星形汽缸布置，汽车多采用列布置，也有采用v型布置，水平对置型。这些对输出动力没有区别，仅仅是汽车外形构造的需求。

    3汽轮机的输出功率大，效率高。而燃气轮机原则上效率更高。制约燃气轮机的因素是材料。汽轮机的蒸汽温度再高，也远不及燃气轮机的高温气体，不会对涡轮叶片造成影响。但燃气轮机的高温气体很容易达到叶片材料的熔点附近。当叶片变软变形，就无法工作。无论材料如何改变，因燃气温度过高，对叶片的影响总是大于蒸汽的。当高压气体作用于叶片时，形变肯定大于汽轮机的。

    4房间过一段时间总是要收拾，不然就显得很凌乱。花一小时堆一个沙丘城堡，一脚下去就消失了，用时一秒。生活中我们总是和熵做斗争：恢复整洁的房间、使用各种化妆品来证明身体的熵没有增加（可惜不能免除死亡。西方曾有种万能药，据说能治百病。似乎是使用埃及木乃伊身上的组织制作而成。不知道那些被制作了万能药的主人是否还存在意识，自己的永生愿望居然是这样实现的！）。

    5德国人克劳修斯曾预言宇宙的热寂。虽然能量总和不变，但没有温差。没有温差就无法做功。没有变化的世界就意味着死寂。对宇宙的分析理论有多种，每种都有支持证据和反驳证据。总之宇宙的未来还尚未可知。宇宙进入死寂的前提是宇宙可以存在到那个时候。假若宇宙永生的话，理智上可以相信热寂。

    永动机是人类美好的愿望之一。居然可以持续输出动力，而没有什么代价，天堂也不过如此。但残酷的现实表明，我们居住的这个宇宙，不支持永动机存在。

    永动机有两种类型，一种是无中生有，另一种是扭转乾坤。无中生有的类型不符合能量守恒原则。在没有任何能量输入的情况下，可以输出能量，属于天上掉馅饼的情况。圣经里面叙述过，天上曾经掉过馅饼（mana）。但也只掉过一次，永动机是持续掉。太过于完美，以至于不存在。这类型逐渐不被人接受。扭转乾坤类型比较有迷惑性，海洋、大气中的热能转化为功，是这类型的特点。起码能量是守恒的，所以霎那间还觉得可行。但热转功是必须有温差，而那些永动机在利用海洋热源时，不存在对应的温差源。这些永动机是将自然不可逆过程当作可逆过程，并按照逆过程来实施。

    思考：

    1很多人，对科学的理解与巫术类似，或者把科学当巫术。认为都是万能的、永远正确的。对待问题总是希望有一劳永逸的解决方案，把愿望当作现实。符合自己愿望的就是真实，不符合的就拒绝接受。总是徘徊在完全接受和完全拒绝之间，而不能思考。虚假广告总是挂着科学的头衔，骗子总是担着教授的名义。水变油，不知道在水里面添加了什么，水可以燃烧起来。即便不懂化学，也能明白，烧光了添加的东西，水还是水。这属于无中生有的永动机。

    2空气能热水器，号称从空气中吸热。其原理是：通电后，制造温差。制造温差可以使用压缩机，就和空调、冰箱相同方法。也可以使用半导体。总之是一面热，一面冷。让冷的一面暴露在寒冬空气中，并且其温度比空气温度低。这样冷的一面会从空气中吸热。就像你把空调散热部件放在室内，出风口对着室外一样。问题是：这种方法获取的热量和消耗同样电量的电炉子发的热量，那个多？同样方法，可以自制土空调，大幅度压缩空气，其温度急剧上升。使用水来降低压缩空气温度（顺便提供热水），在室内，将压缩空气恢复正常气压，其温度低于正常温度，温度下降程度与压缩比率相关。这是绿色环保空调，使用空气和水，不含氟利昂，强力推荐。

    3自发电的电动自行车。如果按字面理解，这就是无中生有永动机。如果真有发电装置的话，在减速时让自行车的动能转为电能，给蓄电池充电。不浪费路途中的动能和势能。不过就不知道是不是营销策略和噱头。反正你不给电池充电的话，或许可以出门，但肯定回不来。当然你要是脚蹬回来的话，就别提电动两字。

    4英国人麦克斯韦，曾提到一个思维实验。在一个密闭空间，空气温度均匀，中间用一个隔板分开，隔板中有小门可以让分子通过。现在有个精灵在门口检查分子速度，速度高的进一个空间，速度低的进另外一个空间。这样在热均匀分布中制造了温差，就可以用来做功。这样做是否实现了逆天而行呢？

    5尼古拉特斯拉是天才，他的思维和实验，都是超越时代的。但无论怎样，不存在违反能量守恒和熵增过程。那些自称天才却对能量与熵一知半解的，绝不是第二个特斯拉。

    （本章完）

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    梅乐芝经理的科普文章（八）

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