產(chǎn)業(yè)革命與現(xiàn)代工業(yè)課件

1產(chǎn)業(yè)革命與現(xiàn)代工業(yè)2§1能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)3

能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)談到能量守恒原理，我們應(yīng)當(dāng)記得萊布尼茲最早提出的活力守恒定律。在萊布尼茲時(shí)代，動(dòng)量守恒、角動(dòng)量守恒、以及活力守恒定律相繼建立起來(lái)了。人們本來(lái)可以繼續(xù)發(fā)展已有的結(jié)果得到更為廣泛的守恒定律。但是由于人們對(duì)熱的本質(zhì)了解得還不多，而且認(rèn)為熱是一種由“熱素”產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。所以在萊布尼茲之后的100年里，在守恒定律的研究方面一直是停止不前的。到了19世紀(jì)中葉，由于人們對(duì)熱有了清楚的認(rèn)識(shí)，在最一般意義之下的守恒定律才被發(fā)現(xiàn)。即使是這樣，發(fā)現(xiàn)的過(guò)程也是很曲折的。4永動(dòng)機(jī)的研究熱潮永動(dòng)機(jī)的想法起源于印度，公元1200年前后，這種思想從印度傳到了伊斯蘭教世界，并從這里傳到了西方。1635年，在英國(guó)注冊(cè)了第一個(gè)永動(dòng)機(jī)的專利，到1903年左右注冊(cè)的就有大約600個(gè)永動(dòng)機(jī)的專利。1911年，美國(guó)專利局規(guī)定任何永動(dòng)的機(jī)械專利必須實(shí)際運(yùn)行一年后才能申報(bào)。不過(guò)之后還是有許多永動(dòng)機(jī)的專利注冊(cè)。5各種不同的永動(dòng)機(jī)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(shū)，四歲可以讀圣經(jīng)。青年時(shí)期學(xué)會(huì)了十幾門(mén)外語(yǔ)，會(huì)演奏多種樂(lè)器。后來(lái)?xiàng)铋_(kāi)始學(xué)醫(yī)，并且去德國(guó)求學(xué)，1796年獲哥廷根大學(xué)的博士學(xué)位，1799年回國(guó)在倫敦開(kāi)業(yè)行醫(yī)，之后在皇家學(xué)院講授自然科學(xué)，并于1802年被任命為皇家學(xué)會(huì)的外交秘書(shū)。7楊的主要貢獻(xiàn)是在光學(xué)方面，他因?yàn)閷?duì)聲學(xué)研究得到的啟示，認(rèn)為光也應(yīng)當(dāng)存在干涉現(xiàn)象。他是光的波動(dòng)說(shuō)在沉寂了近百年后，又重新振興的早期學(xué)者之一。但是由于英國(guó)有牛頓的微粒說(shuō)統(tǒng)治，波動(dòng)說(shuō)不是“國(guó)貨”，所以在英國(guó)沒(méi)有多少支持者，倒是反對(duì)者不少。法國(guó)人夫瑞奈爾（AugustinJeanFresnel,1788－1827）繼承了并且用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了楊的學(xué)說(shuō)，才使波動(dòng)說(shuō)被廣泛承認(rèn)，在后來(lái)的100年左右中居于主導(dǎo)地位。8“能量”一詞，最早出現(xiàn)于托馬斯·楊（ThomasYoung,1773,5,10－1829,5,10）在1807年出版的《自然哲學(xué)講義》(ACourseofLectureonNaturalPhilosophyandMechanicalArts)在《碰撞》一講中。他說(shuō)：“在應(yīng)用力學(xué)碰到的幾乎所有的情況中，對(duì)于產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)所必要的功，并不是與力矩成正比，而是與這個(gè)功所引起的運(yùn)動(dòng)的能量成正比?！彼€說(shuō)：“應(yīng)當(dāng)用能量一詞來(lái)表示物體的質(zhì)量或重量與表示速度的數(shù)的平方的積?！彼慕ㄗh一直沒(méi)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(shū)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(xiàn)象方面作出了貢獻(xiàn)。晚年他對(duì)埃及古文字產(chǎn)生了興趣，寫(xiě)了一些很有影響的有關(guān)埃及歷史與古文字的論文。10托馬斯·楊ThomasYoung

1773－182911邁爾在能量守恒方面的工作邁爾（JuliusRobertMayer,1814－1878）是德國(guó)的物理學(xué)家。大學(xué)時(shí)學(xué)醫(yī)，但他并不喜歡當(dāng)醫(yī)生，他當(dāng)過(guò)隨船醫(yī)生，工作比較清閑。大約是在1840年去爪哇的航行中，由于考慮動(dòng)物體溫問(wèn)題而對(duì)物理學(xué)發(fā)生了興趣。當(dāng)時(shí)許多人進(jìn)行永動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)都以失敗而告終，從童年時(shí)期就給他留下了深刻的影響。這些使他猜想“機(jī)械功根本不可能產(chǎn)生于無(wú)”。

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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(dāng)量。他說(shuō)：“對(duì)于我的能用數(shù)學(xué)的可靠性來(lái)闡述的理論來(lái)說(shuō)，極為重要的仍然是解決以下這個(gè)問(wèn)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(yīng)的運(yùn)動(dòng)量和將該重物放下來(lái)所獲得的運(yùn)動(dòng)量正好等于將一磅0℃的冰轉(zhuǎn)化為0℃的水所必要的熱量?！?41842年3月，邁爾寫(xiě)了一篇短文《關(guān)于無(wú)機(jī)界的力的看法》寄給了《藥劑學(xué)和化學(xué)編年史》的主編、德國(guó)化學(xué)家李比希（JustusvonLiebig,1803－1873），李比希立即答應(yīng)使用這篇文章。機(jī)械的熱功當(dāng)量在這篇文章中得到第一次說(shuō)明。文中說(shuō)：“人們發(fā)現(xiàn)，一重物從大約365米高處下落所做的功，相當(dāng)于把同重量的水從0℃升到1℃所需的熱量?！彼奈恼掳l(fā)表于1842年5月。15邁爾是最早進(jìn)行熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)的學(xué)者，在1842年，他用一匹馬拉機(jī)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(dāng)量的數(shù)值。他的實(shí)驗(yàn)比起后來(lái)焦耳的實(shí)驗(yàn)來(lái)，顯得粗糙，但是他深深認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題的重大意義。他在1842年底給友人的信中說(shuō)：“我主觀認(rèn)為，表明我的定律的絕對(duì)真理性的是這種相反的證明：即一個(gè)在科學(xué)上得到普遍公認(rèn)的定理：永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)在理論上是絕對(duì)不可能的（這就是說(shuō)，即使人們不考慮力學(xué)上的困難，比方說(shuō)摩擦等等，人們也不可能成功地由思想上設(shè)計(jì)出來(lái)）。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(jié)論。要是有人否認(rèn)我的這個(gè)定理，那么我就能立即建造一部永動(dòng)機(jī)?！?6邁爾的論文沒(méi)有引起社會(huì)重視，為了補(bǔ)足第一篇論文沒(méi)有計(jì)算、過(guò)于簡(jiǎn)要的缺點(diǎn)，他寫(xiě)了第二篇論文，結(jié)果如石沉大海，沒(méi)有被采用。他論證了太陽(yáng)是地球上所有有生命能與非生命能的最終源泉。后來(lái)亥姆霍茲與焦耳的論文相繼發(fā)表，人們將能量守恒定理的發(fā)明人歸于亥姆霍茲與焦耳。而他的論文既早又系統(tǒng)，卻不僅得不到承認(rèn)，而且還招來(lái)了一些攻擊文章。再加1848年，他禍不單行，兩個(gè)孩子夭折、弟弟又因參加革命活動(dòng)受牽連。1849年，邁爾從三樓跳下，從此成為重殘，而后又被診斷為精神分裂，送入精神病院，醫(yī)生們認(rèn)為他經(jīng)常談?wù)摰哪欠N新發(fā)現(xiàn)，是一種自大狂的精神病癥狀。邁爾的首先發(fā)現(xiàn)能量守恒定理，一直到1862年才得到社會(huì)公認(rèn)。17亥姆霍茲與他的《論力的守恒》亥姆霍茲（HermannvonHelmholtz,1821－1894）出生在一個(gè)德國(guó)的窮教員家里，1838年，17歲的亥姆霍茲盡管在中學(xué)入學(xué)考試中獲得十分優(yōu)異的成績(jī)，可是因?yàn)榻徊黄饘W(xué)費(fèi)而只好去作軍醫(yī)達(dá)8年之久。1842年亥姆霍茲獲得了博士學(xué)位。1845年他參加了由年輕的學(xué)者組織的柏林物理學(xué)協(xié)會(huì)，之后他經(jīng)常參加協(xié)會(huì)活動(dòng)，除作軍醫(yī)之外他還研究一切他感興趣的問(wèn)題。181847年7月23日他向物理學(xué)協(xié)會(huì)作了題為《論力的守恒》的著名報(bào)告。報(bào)告后，他將文章交給《物理學(xué)編年史》的編輯，不料又和6年前邁爾的稿件一樣的命運(yùn)，編輯以沒(méi)有實(shí)驗(yàn)事實(shí)而拒絕刊登。后來(lái)他將這篇論文作為小冊(cè)子在另一家有名的出版社出版了。文章的結(jié)論與1843年焦耳的實(shí)驗(yàn)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(shí)間僅差數(shù)年，又由于有有名的出版社出版，他與邁爾的命運(yùn)完全不同。后來(lái)英國(guó)學(xué)者開(kāi)爾文采用了楊所提出的能量的概念，采用“勢(shì)能”代替“彈力”，以“動(dòng)能”代替“活力”，使在力學(xué)中延續(xù)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(guó)科學(xué)家發(fā)展中所起的組織作用。1870年，他的老師馬格努斯（HeinrichGustavMagnus,1802－1870），德國(guó)最早的物理研究所所長(zhǎng)，逝世了。當(dāng)時(shí)還是副教授的亥姆霍茲繼任為所長(zhǎng)。那時(shí)，德國(guó)的科學(xué)研究水平，比起英國(guó)與法國(guó)要落后得多。不久普法戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束，德國(guó)從法國(guó)得到一大筆賠款，德國(guó)的經(jīng)濟(jì)狀況有所改善，亥姆霍茲得到了300萬(wàn)馬克的經(jīng)費(fèi)去籌建新的研究所，經(jīng)過(guò)5年的努力新研究所建成。這個(gè)研究所后來(lái)吸引了大批優(yōu)秀的年輕學(xué)者，而且它的研究課題同工業(yè)的發(fā)展緊密聯(lián)系，后來(lái)形成德國(guó)科學(xué)研究的一個(gè)十分好的傳統(tǒng)。

20亥姆霍茲HermannvonHelmholtz

1821－189421

焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)

焦耳（JamesPrescottJoule,1818－1889）是一位英國(guó)富有的釀造商之子，他的經(jīng)濟(jì)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(guò)傷，因此他一心讀書(shū)研究，他父親為他提供了一個(gè)家庭實(shí)驗(yàn)室。1835年他認(rèn)識(shí)了曼徹斯特大學(xué)的教授道爾頓，受到過(guò)后者的指導(dǎo)，焦耳的成功主要是靠自學(xué)的。焦耳對(duì)數(shù)學(xué)的知識(shí)很少，他的研究主要是靠測(cè)量。1840年他經(jīng)過(guò)多次測(cè)量通電的導(dǎo)體，發(fā)現(xiàn)電能可以轉(zhuǎn)化為熱能，并且得出一條定律：電導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量與電流強(qiáng)度的平方、導(dǎo)體的電阻和通過(guò)的時(shí)間成正比。他將這一定律寫(xiě)成一篇論文《論伏打電生熱》。22后來(lái)焦耳繼續(xù)探討各種運(yùn)動(dòng)形式之間的能量守恒與轉(zhuǎn)化關(guān)系，1843年他發(fā)表了論文《論水電解時(shí)產(chǎn)生的熱》與《論電磁的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值》。特別在后一篇論文中，焦耳在英國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議上宣稱：“自然界的能是不能毀滅的，那里消耗了機(jī)械能，總能得到相當(dāng)?shù)臒?，熱只是能的一種形式?！贝撕蠼苟粩喔倪M(jìn)測(cè)量方法，提高測(cè)量精度，最后得到了一個(gè)被稱為“熱功當(dāng)量”的物理常數(shù)，焦耳當(dāng)時(shí)測(cè)得的值是423.9千克米/千卡。現(xiàn)在這個(gè)常數(shù)的值是418.4。后人為紀(jì)念他，在國(guó)際單位制中采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(dāng)量實(shí)驗(yàn)示意圖

25§2蒸汽機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用26隨著機(jī)器的廣泛采用，金屬的需要大量增加。而冶煉金屬不僅要開(kāi)挖金屬礦，還需要大量煤。1533年英國(guó)煤產(chǎn)量為20萬(wàn)噸，到1640年激增到150萬(wàn)噸。英國(guó)的生鐵冶煉也隨著大量增加，1780年為10萬(wàn)噸，1800年為25萬(wàn)噸，到1820年增加到43萬(wàn)噸。27采礦工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了礦井排水問(wèn)題。1698年英國(guó)人托馬斯·塞維利（ThomasSavery,1650－1715）發(fā)明了利用蒸汽壓力的抽水泵――“礦山之友”，并且報(bào)了專利。它的工作過(guò)程是：在容器中通入蒸汽，使蒸汽在容器中凝結(jié)，利用蒸汽凝結(jié)后所形成的真空把礦井中的水抽上來(lái)。這種泵有兩大缺點(diǎn)，一方面是對(duì)地下水位較低（低于水泵10m）時(shí)就抽不上水，另一方面是由于突然進(jìn)入容器的蒸汽壓力過(guò)高而易于爆炸。因此很少被采用。281712年，英國(guó)人托馬斯·紐可曼（ThomasNewcomen,1663－1729）發(fā)明了大氣壓蒸汽機(jī)。這種機(jī)器具有汽缸與活塞,在工作時(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,蒸汽便遇冷凝結(jié)為水使汽缸內(nèi)氣壓迅速降低，就可以使水吸上來(lái)。之后再把蒸汽導(dǎo)入汽缸，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。最初的這種蒸汽機(jī)大約每分鐘往返十次，而且可以自動(dòng)工作，使礦井的抽水工作大為便利，所以不僅英國(guó)人使用，在德國(guó)與法國(guó)也在使用。

早期的蒸汽機(jī)29鈕可曼

的

蒸汽機(jī)30用于

礦山

抽水

的

蒸汽機(jī)31瓦特對(duì)蒸汽機(jī)的改進(jìn)蒸汽機(jī)不是瓦特的發(fā)明，瓦特的貢獻(xiàn)是對(duì)蒸汽機(jī)進(jìn)行了一系列改進(jìn)。

其中最重要的改進(jìn)有兩項(xiàng)，一項(xiàng)是發(fā)明了冷凝器大大提高了蒸汽機(jī)的效率，另一項(xiàng)是發(fā)明了離心調(diào)速器使蒸汽機(jī)速度可自由控制。在瓦特的改進(jìn)之后蒸汽機(jī)才真正在工業(yè)上被普遍使用。32英國(guó)人瓦特（JamesWatt,1736－1819）的父親作過(guò)木匠，由于父親的影響，他從小熟悉一些機(jī)械知識(shí)與工具的使用。瓦特幼年時(shí)體弱多病，不能上學(xué)，由他母親教他讀書(shū)寫(xiě)字。18歲后他到倫敦一家鐘表店當(dāng)學(xué)徒，在業(yè)余時(shí)間還努力學(xué)習(xí)。1756年瓦特返回家鄉(xiāng)蘇格蘭,打算自己開(kāi)業(yè)制造機(jī)器。但是由于他當(dāng)學(xué)徒的年限不夠，按照當(dāng)?shù)卣囊?guī)定，不能獨(dú)立開(kāi)業(yè)。于是他只好在格拉斯哥大學(xué)謀得一個(gè)修理與制做教學(xué)儀器的工作。33瓦特JamesWatt

1736－1819

341763年，格拉斯哥大學(xué)的一位教授委托瓦特修理紐可曼蒸汽機(jī)的模型，瓦特當(dāng)時(shí)對(duì)蒸汽機(jī)所知不多，他便邊學(xué)邊修，并且對(duì)蒸汽機(jī)產(chǎn)生了濃厚的興趣。蒸汽機(jī)的模型很快就修好了，他從此與蒸汽機(jī)結(jié)下了不解之緣。他進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，紐可曼的蒸汽機(jī)效率很低，耗費(fèi)蒸汽太多。為了解決這個(gè)問(wèn)題，瓦特對(duì)不同氣壓之下的水的沸騰現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究。他發(fā)現(xiàn)水在大氣壓之下變?yōu)檎羝麜r(shí)，體積擴(kuò)大了1800倍。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，紐可曼的蒸汽機(jī)效率之所以低是由于在用水去冷卻汽缸時(shí)，汽缸的溫度變冷了，這樣汽缸又要消耗過(guò)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(gè)容器后來(lái)被稱為冷凝器。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)與改進(jìn)，他的裝有冷凝器的蒸汽機(jī)在1769年制成了，并在同年的4月25日提出了專利。新的蒸汽機(jī)效率提高了很多。36瓦特的另一項(xiàng)重要發(fā)明是在蒸汽機(jī)上安裝了離心調(diào)速器，這大約是1782年前后的事情。這種調(diào)速器的構(gòu)造是利用蒸汽機(jī)帶動(dòng)一根豎直的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這根軸的頂端有兩根鉸接的等長(zhǎng)細(xì)桿，細(xì)桿另一端各有一個(gè)金屬球。當(dāng)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)快時(shí)，豎軸也轉(zhuǎn)動(dòng)加快，兩個(gè)金屬小球在離心力作用下，由于轉(zhuǎn)動(dòng)快而升高，這時(shí)通過(guò)與小球連接的連桿便將蒸汽閥門(mén)關(guān)小，從而蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速也便可以降低。反之，若蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)慢，則豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)慢了，小球的位置也便下降，這時(shí)連桿便將閥門(mén)開(kāi)大，從而使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速加快。離心調(diào)速器是一個(gè)基于力學(xué)原理的發(fā)明，他是蒸汽機(jī)所以能普及應(yīng)用的關(guān)鍵,也是人類自動(dòng)調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制的開(kāi)始。由于人們能夠自由地控制蒸汽機(jī)的速度，才使蒸汽機(jī)應(yīng)用于紡織、火車、輪船、機(jī)械加工等行業(yè)，才使人類大量使用自然原動(dòng)力成為可能，這才有產(chǎn)業(yè)革命的第二階段。37瓦特的調(diào)速器38瓦特的蒸汽機(jī)39瓦特因?yàn)楦倪M(jìn)與提高蒸汽機(jī)效率的需要，研究了功率的單位。1783年，他對(duì)一匹健壯的馬進(jìn)行了實(shí)測(cè)，確定它在一秒鐘內(nèi)能將150磅的重物提高約不到4英尺。因此他把一馬力規(guī)定為550英尺磅。他是最早引進(jìn)功率概念的人，后人為了紀(jì)念他，將公制的功率單位稱為瓦特（每秒鐘一焦耳）。40應(yīng)當(dāng)說(shuō)，瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)的成功，除了他自己的勤奮之外，他幸運(yùn)地遇到了熱情贊助者也是重要條件。在格拉斯哥大學(xué)時(shí)，他結(jié)識(shí)了當(dāng)時(shí)在大學(xué)當(dāng)教授的布拉克（JosephBlack,1728－1799）。布拉克是一位很有名的化學(xué)家與物理學(xué)家，在物理學(xué)上，他從1764年開(kāi)始對(duì)熱現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。他最早發(fā)現(xiàn)了水在相變時(shí)，即當(dāng)由冰化為水或由水化為汽時(shí)，要吸收大量的潛熱，從而分清了溫度與熱量是兩個(gè)不同的概念。瓦特從他那里不僅得到了學(xué)識(shí)上的幫助，他的熱力學(xué)知識(shí)與力學(xué)知識(shí)為瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)提供了理論基礎(chǔ)，而且他借給瓦特一大筆錢(qián)，為瓦特的研究提供了經(jīng)濟(jì)支持。在瓦特的研究初具眉目時(shí)，瓦特又遇到了一位獨(dú)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(mén)生產(chǎn)蒸汽機(jī)。41布拉克JosephBlack

1728－1799

42波爾頓MatthewBoulton

1789－186443瓦特的改進(jìn)蒸汽機(jī)的普及速度是很快的，到1790年老式的紐可曼蒸汽機(jī)已經(jīng)看不見(jiàn)了，到1790年大約有500臺(tái)蒸汽機(jī)在英國(guó)工作。經(jīng)過(guò)了大約不到100年，到了1868年，僅僅在英國(guó)就有75,000臺(tái)蒸汽機(jī)之多。1805年，在美國(guó)蒸汽機(jī)被裝上了汽車作為動(dòng)力。1807年，美國(guó)的富爾頓（RobertFulton,1765－1815）發(fā)明以蒸汽機(jī)為動(dòng)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(jī)車。1800年英國(guó)的特里維希克（RichardTrevithik,1771－1833）發(fā)明了高壓蒸汽機(jī)。1801年美國(guó)人埃文思（OliverEvens,1755?－1819）造出了真正合用的高壓蒸汽機(jī)。（合10個(gè)大氣壓）47斯梯文森

GeorgeStephenson

1781－18484849特里維?？薘ichardTrevithik

1771－1833502001年4月28日紀(jì)念特里維?？?1狄塞爾的內(nèi)燃機(jī)德國(guó)人狄塞爾(RudolfDiesel,1858-1913)曾花費(fèi)10年多研究活塞式內(nèi)燃機(jī)，寫(xiě)了一本小冊(cè)子，并且獲得了專利。1893年狄塞爾造出了第一臺(tái)樣機(jī)。這種內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：可以燒便宜的重油；不需要點(diǎn)火系統(tǒng)。缺點(diǎn)是噪音大。52狄塞爾

Rudolf

Diesel

1858-191353狄塞爾

的內(nèi)燃機(jī)54內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程5556§3熱力學(xué)第二定律57熱力學(xué)第二定律在熱力學(xué)中，熱力學(xué)第一定律，即前面所說(shuō)的能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)是與關(guān)于永動(dòng)機(jī)的研究緊緊相聯(lián)系著的。而熱力學(xué)第二定律的發(fā)現(xiàn)則是和改進(jìn)與提高蒸汽機(jī)的效率緊緊聯(lián)系著的。最早從理論上討論蒸汽機(jī)的熱效率的是法國(guó)人卡諾（NicolasLéonardSadiCarnot,1796－1832）。卡諾出身于法國(guó)的望族，他的父親是法蘭西第一共和國(guó)拿破倫一世政府的重要官員，他的侄兒后來(lái)在法國(guó)第三共和國(guó)中擔(dān)任了總統(tǒng)，而他卻沒(méi)有從政，成為一名科學(xué)家。不幸的是他在36歲時(shí)便死于流行霍亂。58卡諾NicolasLéonardSadiCarnot

1796－183259瓦特改進(jìn)了蒸汽機(jī)后，盡管效率有很大提高，但是仍然很低。，在卡諾的時(shí)代，只有4－5％?？ㄖZ為熱機(jī)產(chǎn)生的功率問(wèn)題所吸引，他從一般的觀點(diǎn)提出問(wèn)題：一架熱機(jī)的效率最大能達(dá)到多大？在1824年出版了他的研究結(jié)果，題為《論火的動(dòng)力》小冊(cè)子。這也是他一生中唯一的科學(xué)著作。60卡諾的結(jié)論是，熱機(jī)的最高效率取決于熱機(jī)內(nèi)的溫度差。對(duì)于一般的蒸汽機(jī)來(lái)說(shuō)，令是蒸汽的絕對(duì)溫度，是冷凝器的絕對(duì)溫度，則熱機(jī)所能達(dá)到的最大效率為。這個(gè)式子說(shuō)明，熱機(jī)的效率只取決于這里的兩個(gè)溫度，而與熱機(jī)使用的是什么介質(zhì)，是水、是空氣無(wú)關(guān)，也與在熱機(jī)中的溫度是怎樣變化的，是快、是慢，是均勻、是不均勻無(wú)關(guān)。卡諾的研究結(jié)果表明，熱量從高溫物體向低溫物體的趨勢(shì)使我們不可能從給定的熱量獲取最大的機(jī)械功。這便是后來(lái)稱為熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容。61在卡諾的結(jié)論提出后的20年，德國(guó)的物理學(xué)家克勞修斯（RudolfJuliusEmmanuelClausius,1822－1888）于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(guān)系。當(dāng)同樣多的熱量由另一溫度為的物體所吸收時(shí)，該物體的熵改變。這樣，如果低于，則兩個(gè)物體的熵改變將是正的。僅當(dāng)兩個(gè)物體的溫度相同時(shí)熵改變才為零。也就是說(shuō)，溫度總是從高到低傳播，和在變化過(guò)程中熵總是增加是等價(jià)的。這就是熱力學(xué)第二定律的一般表述。換句話說(shuō)，在任何變化中，孤立系統(tǒng)中的熵總是趨于增加的。62克勞修斯RudolfJuliusEmmanuelClausius1822－188863熵增加的觀點(diǎn)，說(shuō)明宇宙之間的物理變化是有方向的，它不像經(jīng)典力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)方程中將時(shí)間改變符號(hào)同樣可以求解。關(guān)于宇宙間的過(guò)程是不可逆的這一點(diǎn)，1874年英國(guó)物理學(xué)家W.湯姆遜有一段話說(shuō)得好：“假如宇宙中每一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)在某個(gè)任意的時(shí)刻都正好逆轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，那么從此之后自然界的過(guò)程將永遠(yuǎn)沿著完全相反的方向進(jìn)行。瀑布在其底端濺起的泡沫將會(huì)重新聚集并落入水中；熱運(yùn)動(dòng)將會(huì)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(chǎn)生、因傳導(dǎo)、輻射及吸收而消耗的熱，將會(huì)復(fù)返固體相接觸的地方，并使運(yùn)動(dòng)物體抵抗它先前受到的力作反向運(yùn)動(dòng)。泥土將會(huì)變成礫石，礫石將會(huì)恢復(fù)它們?cè)瓉?lái)參差不齊的形狀，最后重新將會(huì)成原先它們由之而碎裂的山峰。而且，如果關(guān)于生命的唯物主義假說(shuō)是正確的，那么生命將返老還童，它們所記憶的是將來(lái)而不是過(guò)去，最后變成未出生時(shí)的狀態(tài)。但是，真實(shí)的生命現(xiàn)象無(wú)限地超出人類科學(xué)的能力；關(guān)于它們的逆轉(zhuǎn)過(guò)程的后果假想的推測(cè)是完全無(wú)益的?！盵1]

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(美)G.Holton著，張大衛(wèi)等譯，《物理科學(xué)的概念和理論導(dǎo)論》，上冊(cè)，人民教育出版社，1983，第425－426頁(yè)64蒸汽渦輪機(jī)的發(fā)明帕森斯（C.A.Parsons1854-1931

）早年曾在杜柏林大學(xué)和劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。他的數(shù)學(xué)才能幫助他處理汽輪機(jī)有關(guān)的力學(xué)問(wèn)題。帕森斯1884年制成功率為7.5千瓦轉(zhuǎn)速為18000轉(zhuǎn)/分的汽輪機(jī)。1897年，他又用自己制成的汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)輪船，時(shí)速達(dá)到每小時(shí)64公里。1889年成立帕森斯公司專門(mén)制造汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。到1926年帕森斯公司制成多極雙排氣裝置的汽輪機(jī)功率達(dá)3萬(wàn)千瓦。到20世紀(jì)50年代可以達(dá)到入口汽溫達(dá)到560°C。到20世紀(jì)70年代已經(jīng)可以生產(chǎn)70萬(wàn)千瓦的汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。65帕森斯

Sir

C.A.Parsons

1854-193166現(xiàn)代的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子6768水輪機(jī)69燃?xì)廨啓C(jī)流動(dòng)示意圖70§4

電和電機(jī)71電和發(fā)電機(jī)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(dāng)差.后在一家裝訂廠當(dāng)學(xué)徒到21歲時(shí)作為戴維(HumphryDavy,1778-1829)的實(shí)驗(yàn)室的助手。1831年10月17日，法拉第發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁棒從線圈內(nèi)抽出或插入時(shí)，線圈的導(dǎo)線上會(huì)有電流通過(guò)。72法拉第MichaelFarady

1791-186773發(fā)電機(jī)的發(fā)明后來(lái)法拉第繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以達(dá)到能夠作出實(shí)際可供應(yīng)用的發(fā)電機(jī)。真正可供應(yīng)用的發(fā)電機(jī)是德國(guó)物理學(xué)家雅可比(MoritzHermannvonJacobi,1801-1872)于1838年制成的。1847年雅可比成為彼得堡院士，這使他有條件更好、更復(fù)雜的電機(jī)。德國(guó)西門(mén)子（WernervonSiemens,1826-1901）研究出自激發(fā)電機(jī)原理，并于1867年寫(xiě)出了論文。74西門(mén)子WernervonSiemens1826-190175愛(ài)迪生

Thomas

Edison

1847-193176愛(ài)迪生77交流電機(jī)1882年法國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家呂西安?戈拉德（LudienCaulard,1850-1888）申報(bào)了交流“電流二次發(fā)生器”的專利。1882年特斯拉（NikolaTesla,1856-1943）發(fā)明了交流多相異步電機(jī)。19世紀(jì)末，他又發(fā)明了交流變壓器，解決了遠(yuǎn)途輸電的問(wèn)題。終于以交流電打垮了愛(ài)迪生對(duì)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）出身于蘇格蘭的望族。從小顯示了數(shù)學(xué)才能。1850年入劍橋大學(xué)。畢業(yè)時(shí)為全班數(shù)學(xué)第二