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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。2mvC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”。1.热是一种物质,即热质说2.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