第8節熱-功

功就是力（外因）對物體作用的效果（狀态）累計。一桶水置于地面，地球對水有重力作用，但是水的位置不變，狀态沒有發生變化，則重力對水沒有做功。提一桶水勻速前進，首先克服水的重力，剩下的力才是對水做功。水由靜止進入勻速前進的過程中，力對水的狀态有改變。當水勻速前進時，狀态又不變了。那麽此時就沒有做功。很費力氣地把水提行長距離，但做功就在剛剛開始提水的時間段。那麽人費的力氣做什麽了？都在克服阻力去了，勻速前進階段，水本身受力的總和爲0！

精确地描述功，就是物體在力的方向上前進的距離才算是力對物體作用的效果。如果力對物體進行作用，但是物體并沒有在力的方向上有位置變動，則意味着一定存在什麽因素，使得這個力勞而無功。那麽功=力x距離（乘法就等于多個加法的進行，就是功的累計過程）。功的衡量單位是以英國人焦耳的名字命名。

愚公移山，隻要愚公有足夠的時間，他一個人就可以解決這個問題。但時間永遠是個問題。爲了反映功的效率，就必須同時考慮功和時間。爲此提出功率這個概念，就是一定時間内做的功。這個就容易衡量對物體作用的能力大小。那麽功率=功/時間。功率的衡量單位是以英國人瓦特的名字命名。這多麽英國人的名字出現不奇怪，畢竟工業革命是從英國開始，日不落帝國是依靠實力實現的，不是自我催眠的結果。

瓦特的單位太小，一般使用千瓦做功率單位。馬力也是常用功率單位，1馬力=735瓦特。俗語也常用馬力作爲功率的代名詞，比如說汽車馬力大不大。100瓦大概是什麽概念呢？現在健身比較流行，健身器材中啞鈴有重有輕。100瓦相當于1秒内把10公斤重的啞鈴舉高1米。某個人身高18米，體重90公斤，深蹲在地上，1秒内站直，則雙腿的功率大約是900瓦。

功可以産生熱，比如鑽木取火。熱可以産生功，比如蒸汽機。是否可以認爲熱和功其實是同一現象的不同體現呢？從分子的角度開看待這個問題。力作用在物體上，物體在力的方向上産生一定速度前進，物體内各分子本來都在運動，現在物體本身在運動，相當于分子在原運動的基礎上又向力的方向運動。熱是分子運動的綜合。吸收熱意味着分子運動速度加快，散發熱意味着分子運動速度降低。那麽功産生熱其實是分子運動中的定向運動（物體速度）消失，轉化爲分子各自運動速度加快。熱産生功則是分子運動速度降低，卻帶來了整體定向運動。

焦耳花了很多年時間檢驗熱和功的關系，試圖找出雙方的定量關系。最終驗證了功産生熱的關系：418焦耳（功）=1卡（熱），稱爲熱功當量。

爲了統一熱和功的形式，我們換一種說法，熱和功都是能量的外在形式，本質都是能量（功和能量在形式上相同，但有些區别。能量是物體具有的某種性質，功是物體做出的某種性質。換而言之，能量是物體所有，功是物體所爲。）熱和功的轉換，意味着能量轉換，能量總和保持不變。稱之爲能量守恒。

功有多種存在形式，常見的就是勢能和動能。勢能就是位置變高，導緻在回複原位置時可以産生動能。勢可以理解爲潛在的，勢能就是潛在的、存儲起來的能量。蓄勢待發正說明了勢能的作用。動能則完全是功基本定義的直接結果，因爲力的作用使得物體運動，物體的慣性運動蘊含的能量完全等于力作用的積累。

思考：

1月球繞着地球轉，月球的前進方向和地球引力始終垂直。地球引力雖然改變着月球的狀态（月球的前進方向一直在變），卻沒有作出任何功。忽略的太陽木星等星體對月亮的影響，那麽月亮的環繞從來就沒有被地球改變過。（事實上月亮繞地球是橢圓軌道，在某個軌道階段地球引力會輕微地做功，但最終月球的勢能動能總和不變。）

2機械時代的懷表或手表，都有上弦過程，這是在存儲彈性勢能。勢能緩慢地釋放成表的指針運動和内部機械運動動能。後期出現自動儲能結構，手表在手臂晃動中存儲動能，免去了上弦的步驟。

3現在水電站非常多，刨去生态破壞和地質破壞因素外，這個是很綠色的能源。水庫蓄水存儲了大量重力勢能，放水發電則是勢能轉爲動能再轉爲電能。現在電力需求在不同時間差異很大，白天到晚上10點，電力供應緊張，深夜電力需求很小。現在可以使用勢能存儲辦法來改善這種情況。深夜時，耗電抽水至水庫，把電能存爲勢能。白天放水發電，将勢能轉爲電能，補充電網。在自然界，大河周圍存在許多湖泊。在洪水季節，湖泊可以大量蓄水，降低洪澇災害程度。旱季又可以補充河水，是天然的彈性結構。

4燃燒同重量木柴和火藥，木柴釋放的熱量更大。但是火藥可以瞬間把能量釋放出來，雖然總能量不大，瞬間功率非常大。天空中的閃電，總能量不大，但也是瞬間釋放，功率同樣非常大。照相機的閃光燈，充電完成後就可以發出強光，進行拍攝。核電站的原子能釋放功率巨大，必須增加大量附屬設施降低功率。

5能量守恒，得到能量的同時，意味着

（本章未完，請翻頁）其他地方在失去能量或能量的等價對象。砍伐樹木燒火，獲得熱能，每年樹木都在生長。樹木的生長能量來自太陽。事實上，在地球上的任何可持續使用的能量，都是太陽能的轉換。（原子能不是來自于太陽，是來自于以前的恒星爆炸遺迹。這些遺迹的殘渣組成了地球，也就是說原子能來自于其他已經消失的太陽。）

6能量存在的形式多樣，熱能、機械能、化學能、原子能、電磁能都是能量的不同形式。人工的某種能量轉換過程，總是伴随着其他類型的能量轉換。發電方式包括了多種能量轉換方式：熱能轉電能，有熱電、機械能轉電能，有風電、水電、原子能轉電能，有核電，電磁能轉電能，有太陽能發電，化學能轉電能，有燃料電池發電。無論哪種方式，能量轉變爲電能的效率達不到100%。多數都以熱能的形式散發到大氣中。自然的能量轉換不存在這樣的目的性。所以就沒有效率這樣的标準。

熱功當量表明，418焦耳的功可以轉換爲1卡的熱量，但是并不意味着1卡熱量可以轉換爲418焦耳功！熱隻對應分子運動速度，但對整體運動方向無要求。功卻是要求運動整體有方向。要求更高。簡單地說，功比熱更有序，破壞比創造容易。

法國人卡諾仔細研究熱轉功的問題，給出了理想熱機的效率計算公式。即便是理想熱機，效率也無法到100%。更不要說實際的熱機，效率隻會更低。人類設計了若幹熱機，将熱轉爲功。

最早就是蒸汽機，使用燃料加熱水，生成高壓蒸汽推動活塞産生定向運動。活塞帶動一根搖臂軸和曲壁将往複運動轉換爲旋轉運動。現在隻能在博物館見到的蒸汽機火車頭，就是這類機械的應用。在軍事競争下，出現多脹式蒸汽機，高溫蒸汽通過多個汽缸做功，提高了效率和功率。十九世紀末期，當時軍艦采用多脹式蒸汽機做動力。随之出現了汽輪機（蒸汽渦輪機），高壓蒸汽直接噴在渦輪上的葉片（想象風車的葉片），産生旋轉運動。功率可以做得非常大，二十世紀初應用于軍艦動力，現在多用于熱電廠。核電廠發電，也是使用汽輪機進行。事實上，核動力航母、潛水艇，都是使用汽輪機爲動力，而核反應堆無法産生動力，本質就是超大功率的鍋爐，隻能産生高壓蒸汽。内燃機，采用汽油、柴油、可燃氣體等，在氣缸内直接燃燒生成高溫高壓氣體推動活塞運動，略過了加熱水生成高壓蒸汽的過程，效率比蒸汽機高。由于體積小，功率适中，廣泛應用于汽車工業，早期飛機也采用這類型發動機做動力（有一種内燃機，旺凱爾發動機，可以直接産生旋轉運動）。由蒸汽機改爲汽輪機的思路出發，内燃機改爲燃氣輪機。這種機械體積小，功率大，推重比高，用于飛機動力。火箭發動機則是原理最簡單的噴氣推進動力機械。燃料燃燒産生高溫高壓氣體直接噴出，推動火箭前進。

原理完全不同的熱功轉換裝置：燃料電池。這種溫和燃燒發生在質子膜上，并沒有高溫産生，直接轉換爲電力，是研究的熱點。早在50年前就在宇宙飛船上使用，目前已經商業化。

機械名稱燃料工作方式驅動方式動力轉換功率

蒸汽機煤、重油燃燒加熱水産生高溫高壓蒸汽蒸汽驅動活塞産生定向運動定向->旋轉大

汽輪機煤、重油、核反應加熱水産生高溫高壓蒸汽高壓蒸汽驅動渦輪葉片直接産生旋轉運動無非常大

内燃機輕油、可燃氣燃燒直接産生高溫高壓氣體高壓氣體驅動活塞産生定向運動定向->旋轉中

燃氣輪機輕油燃燒直接産生高溫高壓氣體高壓氣體驅動渦輪葉片直接産生旋轉運動無大

火箭發動機高能燃料燃燒直接産生高溫高壓氣體高壓氣體直接噴出發動機外産生定向運動無非常大

燃料電池氫氣或其他可燃氣體在質子膜上進行燃燒無直接産生電力中

功轉熱，100%，熱轉功，必小于100%。比較功轉熱和熱轉功，可以發現，雖然能量守恒，發生能量轉換時，能量中無序的熱越來越多，有序的功越來越少。而能量轉換随時在發生。我們定義自然（宇宙）的無序程度（混亂程度）爲熵。那麽就得出一個結論，自然越來越混亂。即自然的熵單調增加。熵與能量中的熱量部分相關，但是溫度增加也意味着熱量增加，因此要扣除溫度增加因素。所以熵=過程的熱量/絕對溫度

熵單調增加，就意味着世界上很多事情是無法逆轉的。比如人的死亡，熱水和冷水混合成溫水。宇宙會不會最終達到全體熱平衡？這個無法估計，因爲我們無法生存到那時候來驗證。

觀察：

1在熱機應用中，根據情況不同，出現各種變形。斯特林發動機，可稱之爲外燃機。汽缸中氣體不和外界交換，由外部的冷熱交替來驅動汽缸活塞，通過曲柄來産生旋轉運動。斯特林發動機效率非常高，可達80%。另外反過來供應機械能，斯特林發動機可以提供熱量，變成熱泵。使用風能做動力，就成空調了。并且不存在現代空調的缺陷，不使用任何有機緻冷劑，對環境無污染。奎西發動機和旺凱爾發動機類似，但優勢更大。燃料燃燒充分，污染小。發動機完全平衡，無振動。輕油

（本章未完，請翻頁）、氣體均可使用。構造簡約。

2内燃機工作時，活塞輸出動力僅在汽缸内部膨脹時進行。這樣動力輸出不連續。爲了持續輸出，一般都使用多個汽缸共同工作，不同汽缸之間輸出動力有時延，保證随時都有汽缸在輸出動力。多個汽缸的時延累計恰好等于活塞工作一個循環的時間。汽缸越多，輸出越平穩，功率也越大。早期飛機使用星形汽缸布置，汽車多采用列布置，也有采用v型布置，水平對置型。這些對輸出動力沒有區别，僅僅是汽車外形構造的需求。

3汽輪機的輸出功率大，效率高。而燃氣輪機原則上效率更高。制約燃氣輪機的因素是材料。汽輪機的蒸汽溫度再高，也遠不及燃氣輪機的高溫氣體，不會對渦輪葉片造成影響。但燃氣輪機的高溫氣體很容易達到葉片材料的熔點附近。當葉片變軟變形，就無法工作。無論材料如何改變，因燃氣溫度過高，對葉片的影響總是大于蒸汽的。當高壓氣體作用于葉片時，形變肯定大于汽輪機的。

4房間過一段時間總是要收拾，不然就顯得很淩亂。花一小時堆一個沙丘城堡，一腳下去就消失了，用時一秒。生活中我們總是和熵做鬥争：恢複整潔的房間、使用各種化妝品來證明身體的熵沒有增加（可惜不能免除死亡。西方曾有種萬能藥，據說能治百病。似乎是使用埃及木乃伊身上的組織制作而成。不知道那些被制作了萬能藥的主人是否還存在意識，自己的永生願望居然是這樣實現的！）。

5德國人克勞修斯曾預言宇宙的熱寂。雖然能量總和不變，但沒有溫差。沒有溫差就無法做功。沒有變化的世界就意味着死寂。對宇宙的分析理論有多種，每種都有支持證據和反駁證據。總之宇宙的未來還尚未可知。宇宙進入死寂的前提是宇宙可以存在到那個時候。假若宇宙永生的話，理智上可以相信熱寂。

永動機是人類美好的願望之一。居然可以持續輸出動力，而沒有什麽代價，天堂也不過如此。但殘酷的現實表明，我們居住的這個宇宙，不支持永動機存在。

永動機有兩種類型，一種是無中生有，另一種是扭轉乾坤。無中生有的類型不符合能量守恒原則。在沒有任何能量輸入的情況下，可以輸出能量，屬于天上掉餡餅的情況。聖經裏面叙述過，天上曾經掉過餡餅（mana）。但也隻掉過一次，永動機是持續掉。太過于完美，以至于不存在。這類型逐漸不被人接受。扭轉乾坤類型比較有迷惑性，海洋、大氣中的熱能轉化爲功，是這類型的特點。起碼能量是守恒的，所以霎那間還覺得可行。但熱轉功是必須有溫差，而那些永動機在利用海洋熱源時，不存在對應的溫差源。這些永動機是将自然不可逆過程當作可逆過程，并按照逆過程來實施。

思考：

1很多人，對科學的理解與巫術類似，或者把科學當巫術。認爲都是萬能的、永遠正确的。對待問題總是希望有一勞永逸的解決方案，把願望當作現實。符合自己願望的就是真實，不符合的就拒絕接受。總是徘徊在完全接受和完全拒絕之間，而不能思考。虛假廣告總是挂着科學的頭銜，騙子總是擔着教授的名義。水變油，不知道在水裏面添加了什麽，水可以燃燒起來。即便不懂化學，也能明白，燒光了添加的東西，水還是水。這屬于無中生有的永動機。

2空氣能熱水器，号稱從空氣中吸熱。其原理是：通電後，制造溫差。制造溫差可以使用壓縮機，就和空調、冰箱相同方法。也可以使用半導體。總之是一面熱，一面冷。讓冷的一面暴露在寒冬空氣中，并且其溫度比空氣溫度低。這樣冷的一面會從空氣中吸熱。就像你把空調散熱部件放在室内，出風口對着室外一樣。問題是：這種方法獲取的熱量和消耗同樣電量的電爐子發的熱量，那個多？同樣方法，可以自制土空調，大幅度壓縮空氣，其溫度急劇上升。使用水來降低壓縮空氣溫度（順便提供熱水），在室内，将壓縮空氣恢複正常氣壓，其溫度低于正常溫度，溫度下降程度與壓縮比率相關。這是綠色環保空調，使用空氣和水，不含氟利昂，強力推薦。

3自發電的電動自行車。如果按字面理解，這就是無中生有永動機。如果真有發電裝置的話，在減速時讓自行車的動能轉爲電能，給蓄電池充電。不浪費路途中的動能和勢能。不過就不知道是不是營銷策略和噱頭。反正你不給電池充電的話，或許可以出門，但肯定回不來。當然你要是腳蹬回來的話，就别提電動兩字。

4英國人麥克斯韋，曾提到一個思維實驗。在一個密閉空間，空氣溫度均勻，中間用一個隔闆分開，隔闆中有小門可以讓分子通過。現在有個精靈在門口檢查分子速度，速度高的進一個空間，速度低的進另外一個空間。這樣在熱均勻分布中制造了溫差，就可以用來做功。這樣做是否實現了逆天而行呢？

5尼古拉特斯拉是天才，他的思維和實驗，都是超越時代的。但無論怎樣，不存在違反能量守恒和熵增過程。那些自稱天才卻對能量與熵一知半解的，絕不是第二個特斯拉。

（本章完）

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