地球/2a. 能量与热力学定律
在英国曼彻斯特的布鲁姆街，有一家名为“鹅”的小酒馆。根据网上评价，这家酒馆不太好，浴室脏兮兮，酒吧老板态度粗鲁，多年来，它的名字随着每位老板的变化而改变。它位于曼彻斯特的同性恋村的核心区域，但如果你穿越回两百年前，你可以在酒馆里买到焦耳啤酒。焦耳啤酒是由曼彻斯特的酿酒大师本杰明·焦耳酿造的，他酿造了一种强烈的英式波特，这是一种让他在繁华的英国城市里名声大噪，并因此致富的啤酒。当他的儿子詹姆斯·焦耳出生时，他患有脊柱畸形，他为儿子提供了适合上流阶层的教育。他的儿子詹姆斯·焦耳更像一个科学家而不是一个酿酒师，他痴迷于温度。他总是随身携带一个温度计，测量温度差异。他认真记录下所有观察结果，尤其是在帮助他父亲酿造啤酒时。确定酿造等活动的确切温度是他父亲教给他的重要技能，但詹姆斯却把它发挥到了极致。温度计当时并不是什么新鲜的技术，丹尼尔·华伦海特和安德斯·摄尔修斯在一个世纪前就发明了温度计，它们仍然以各自的单位度数（华氏度和摄氏度）命名。不是的，詹姆斯·焦耳仅仅对温度着迷，是因为它深深地吸引了他。最吸引他的是，你可以用各种方法改变物质的温度，比如一桶水。可以把它放在燃烧的火焰上，可以通入电流，也可以快速搅拌它，每一种方法都会提高水的温度。测量温度的变化是比较各种加热水的方法的一种数学方式。詹姆斯·焦耳开发了一种独特的方法来测量 *vis viva*。
*Vis viva* 是拉丁语，意思是活力，在詹姆斯·焦耳出生前的世纪里，这个词用来描述两个物体相互碰撞时的力量或影响。 艾萨克·牛顿将 *vis viva* 定义为物体质量乘以速度的总和。物体运动的速度越快，质量越大，物体携带的 *vis viva* 就越多。另一方面，戈特弗里德·威廉·莱布尼茨认为速度更为重要，速度更快的物体 *vis viva* 会呈指数增长。当这两位伟人争论不休时，是一位女性发现了答案。
她的名字是埃米莉·杜·沙特莱，她也许是她那一代最著名的科学家之一。埃米莉出生在一个小贵族家庭，嫁给了一个富有的丈夫，并致力于科学。她师从当时一些伟大的数学家，发明了金融衍生品，与著名诗人伏尔泰相爱，并撰写了几本关于物理学的教科书。在她撰写的著作中，她描述了一个实验，将不同质量的铅球从不同的高度掉落到厚厚的一层粘土中。球体进入粘土的深度对于从较高高度掉落的球体来说是呈指数级增加的，而不是通过增加它们的质量来增加的。这表明，**速度**比质量更重要，但这很难测量。
想象一个炮弹和一颗子弹。炮弹重 10 公斤，子弹重 0.1 公斤（质量更小）。如果它们以相同的速度发射，炮弹显然会造成更大的破坏，因为它质量更大。但是，如果子弹的速度快 10 倍或 100 倍，它会造成相同的破坏吗？粘土实验表明，子弹只需要快 *10 倍* 才能造成相同的破坏。虽然这很难量化，因为测量 *vis viva* 很有挑战性。
1807 年，语言学家和物理学家托马斯·杨，后来利用罗塞塔石碑破译了埃及象形文字，创造了科学术语能量，源自古希腊语 ἐνέργεια。因此，人们认为能量 = 质量 x 速度2。这是能量一词第一次以现代意义使用。今天，我们将这种能量称为**动能**，由物体的运动或移动引起的能量。该方程实际上是
其中 *Ekin* 是**动能**，*m* 是物体的**质量**，*v* 是它的**速度**。请注意，方程中有一个常数因子 ½。这一小小的修改是由加斯帕德·古斯塔夫·科里奥利提出的，以他命名的科里奥利效应大约是在詹姆斯·焦耳痴迷于温度计的同时出现的。
詹姆斯·普雷斯科特·焦耳 通过实验表明，这种能量可以通过活动产生的热量（水桶中温度的变化）来测量。最初他的实验涉及电。1843年，他在 英国科学促进会 的一次科学会议上展示了电流通过水，水会变热，导致温度升高。他想知道是否可以证明动能（来自物体运动）也会使水变热。如果是真的，他就可以使用观察到的水温变化来计算能量的精确测量单位。同时，很多人对他的想法持怀疑态度，因为当时的许多科学家认为存在一种物质，一种自排斥的流体或气体，叫做热质，它从冷的物体移动到热的物体，这种观点得到了氧气 必须用于燃烧的知识的支持。 詹姆斯·焦耳 认为这个想法很愚蠢。他用自己的想法反驳说，导致水升温的原因是水被电、火或运动“激发”。这些活动导致水振动。如果他可以设计一个实验来表明物体的运动会改变水的温度，他就可以直接比较燃烧的火、电和经典的物体运动的能量。
能量单位的发现，焦耳
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1845年，他进行了最著名的实验，一个重物绑在绳子上，绳子拉动一个桨轮，搅动一个绝缘桶里的水。一个精确的温度计测量了重物落下时水温的微小变化。他证明了所有能量，无论是动能、电能还是化学能（如火），都是等效的。此外，詹姆斯·焦耳总结了他的发现，指出当能量消耗时，就会获得等量的热量。如今，能量以焦耳 (J) 为单位进行测量，以纪念他的发现。
其中 J 代表焦耳，kg 代表千克，m 代表米，N 代表牛顿（力的单位），Pa 代表帕斯卡（压力的单位），W 代表瓦特（电功率的单位），s 代表秒。
现代常用的电能单位是千瓦时，这是您在电费单上看到的单位。一千瓦时相当于3.6兆焦耳（1000瓦特 x 3600秒 = 360万焦耳）。
怀疑者
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1847年，詹姆斯·焦耳在牛津市举行的英国科学协会年会上发表了他的研究成果，与会者包括当时最杰出的科学家，如 迈克尔·法拉第、 加布里埃尔·斯托克斯 和一位名叫 威廉·汤姆森 的年轻科学家。虽然他赢得了迈克尔·法拉第和加布里埃尔·斯托克斯的支持，但他却难以说服名叫汤姆森 的年轻科学家，这位科学家对这个想法感到着迷，但也持怀疑态度。詹姆斯·焦耳从科学会议回家后，一直在思考如何说服持怀疑态度的威廉·汤姆森。在家里，他的夏天充满了忙碌的计划，他要与他心爱的未婚妻，一位名叫阿米莉亚·格里姆斯（Amelia Grimes）的女孩结婚。他们计划一场浪漫的婚礼和蜜月，去法国阿尔卑斯山，在翻阅法国阿尔卑斯山的美丽宣传册时，他偶然发现了一个非常浪漫的瀑布，从山间直泻而下，叫做萨兰什瀑布。他 convince Amelia 他们应该去参观这个浪漫的瀑布，并写信给威廉·汤姆森，询问他是否可以和他新婚的妻子在法国阿尔卑斯山 见面，他有一些想展示给他的东西。
1847年，这对浪漫的情侣和持怀疑态度的威廉·汤姆森一起到达了瀑布，进行了一项实验。你可以明白为什么詹姆斯·焦耳会发现这个瀑布很有趣。水不是简单地从悬崖上落下，而是从岩石和边缘上翻滚而下，一路奔涌而下，所有的能量在水落下时都会转化为热量，正如詹姆斯·焦耳向持怀疑态度的威廉·汤姆森解释的那样，瀑布底部的水温会比瀑布顶部的水温高。他拿着他最信任的温度计，测量了底部水潭的温度，然后爬到瀑布的顶端，测量了顶端水潭的温度。水的喷溅导致了不同的数值。詹姆斯·焦耳湿漉漉的，努力避免掉进水里，他竭尽全力说服持怀疑态度的威廉·汤姆森，但数值变化太大，无法确定。尽管如此，这两位男士成为了终身的朋友，几年后，阿米莉亚在分娩时去世，几天后，他的独生女也去世了，詹姆斯·焦耳退出了社会，但他与威廉·汤姆森的通信一直保持着。
萨兰什瀑布的经历对威廉·汤姆森产生了重大影响。看着翻滚的瀑布，他想象着微小的水颗粒变得兴奋，随着能量的振动，它们沿着斜坡弹跳。他将热量想象为分子内部的振动能量，随着热量的增加，水会变成蒸汽，以激发的气体颗粒的形式飘散，如果冷却，则会凝固成固体，因为振动能量降低了。他想象了一个温度的理论极限，一个如此寒冷的点，你无法再冷了，那里没有能量，没有热量，一个绝对零度。
绝对零度和开氏温标
[edit | edit source]威廉·汤姆森回到了格拉斯哥大学，他是一位年轻而大胆的教授，对绝对零度的概念很感兴趣。这是一种极低的温度，物质的所有振动能量都将消失。如果借助詹姆斯·焦耳的帮助，将物体冷却到这种温度，将会发生什么呢？他计算出这种温度为−273.15° 摄氏度。物质无法冷却到低于此温度。在他多年的研究和教学中，威廉·汤姆森发明了许多新装置，他最著名的是帮助铺设了第一条跨大西洋电报线路，并被封为贵族，并以格拉斯哥大学附近的河流命名为开尔文勋爵。今天，科学家使用他的−273.15° 摄氏度温度，相当于 0° 开尔文，这是一个描述绝对零度以上温度的测量单位。开尔文通常被科学家使用，而不是摄氏度（摄氏度定义为水的冰点为 0° 摄氏度），因为它定义了所有物质的冰点。此外，开尔文勋爵假设宇宙就像一杯茶，没有喝过，正在慢慢地冷却到这个绝对最低的温度。
此后，科学家们将物质冷却到这个超低温的边缘（目前的记录是 1 x 10−10° 开尔文，更大的制冷空间可以达到低至 0.006° 开尔文）。在这些低温下，科学家们观察到了一些不寻常的活动，包括玻色-爱因斯坦凝聚态、超导性和超流性的存在。然而，科学家们仍然在这个寒冷的温度下检测到原子中微量的振动能量，这种振动能量将原子结合在一起，被称为零点能，这在以前就被预测到了。宇宙的背景温度约为 2.73° 开尔文，略高于绝对零度，因此在外太空最冷的地方，温度仍然比绝对零度高几度。
使用这种尺度，你自己的太阳系从金星表面的 735° 开尔文到冥王星表面的 33° 开尔文不等。地球的温度范围从 185° 到 331° 开尔文，但主要徘徊在 288° 开尔文的平均温度附近。地球的月球变化更大，它稀薄的大气层在 100° 到 400° 开尔文之间，使其表面比地球上测量的极端温度更冷也更热。
势能
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苏格兰爱丁堡的冬天寒冷潮湿。苏格兰低地森林供应有限，因此，在 19 世纪初，该市许多居民都用煤炭来取暖。煤炭在壁炉中燃烧，提供了一种取暖的方法，但必须从英格兰或德国运到城市。随着城市人口的增长，对煤炭的需求也在增长。一群投资者建议从南部运来本地煤炭。他们建造了一条轨道，用于运送满载煤炭的马拉货车进入城市。然而，在靠近城市的地方有一段陡坡，太陡峭了，马匹无法拉动满载煤炭的重物。正是在这条轨道上，两台大型蒸汽机被用来将货车拉上陡坡。每台蒸汽机都配备了煤炭供应，在炉膛中燃烧，加热锅炉中的水，使水变成蒸汽。蒸汽可以打开进入气缸，气缸会前后滑动，将热能转化为机械能。气缸会转动滑轮，将装满煤炭的货车拉上陡坡进入城市。威廉·兰肯是一位年轻的男孩，他的父亲负责将煤炭运送到城市，他对这些大型蒸汽机的强大动力着迷。不久，马匹就被新的蒸汽机车技术取代，这些蒸汽机车依靠燃烧煤炭的力量隆隆作响。乘客可以乘坐这些火车，很快，原本用于运输煤炭的铁路变成了人们出行的一种流行方式。威廉·兰肯学习工程学，成为蒸汽动力新兴领域的顶级科学家，以及蒸汽机车的建造和操作。1850 年，他出版了关于该主题的权威著作，但他最重要的作品可能是 1853 年出版的一本书，他在书中描述了能量的传递。
詹姆斯·焦耳已经证明，运动可以转化为热量，而蒸汽机车的研究向威廉·兰肯证明了热量可以转化为运动。兰肯完全赞同焦耳的能量守恒观点，但他意识到，当能量在蒸汽机车中传递时，会发生一些独特的事情。首先，用燃烧煤炭的火来加热水，沸腾的水产生蒸汽，但机车工程师可以捕获这种能量，将其保存起来，直到阀门打开，蒸汽机车开始移动。兰肯称这种捕获的能量为势能。
一个经典的势能例子是，当一个球被滚上一个斜坡时。在斜坡的顶部，球获得了势能。它可以永远被保持在那里，但在某个时刻，球会释放这种能量，并滚回斜坡，产生动能。同样地，手表里的弹簧可以被上紧，储存势能，而一旦弹簧被释放，手表就会表现出动能，因为表盘上的指针会移动来记录时间。为平板电脑供电的电池是充电时储存的势能，但一旦用于观看 Netflix 视频，它的动能就会被释放。储存势能所需的能量等于释放的动能。
兰肯称动能为实际能量，因为它做了实际的功。在他 1853 年著名的论文中，他简单地指出：
“实际能量是物质的一种可测量、可转移和可转化影响，这种影响的存在会导致物质在一种或多种方面改变其状态；通过这些变化的发生，实际能量消失，并被势能取代，势能通过物质状态变化量以及产生这种变化的趋势或力（或等效地，克服这种变化的阻力）的总和来衡量。如果导致势能发展的变化完全逆转，那么随着势能的消失，先前消失的实际能量就会再生。”
概括来说，威廉·兰肯认为，你投入设备中的能量和你从设备中获得的能量是一样的，即使在储存势能和释放动能之间存在延迟。
此外，兰肯还指出，“能量守恒定律已经为人所知，即：宇宙中实际能量和势能的总和是不变的。”这是一个深刻的论断，但它也是詹姆斯·焦耳提出的，即宇宙中的能量是有限的，是一定量的。能量不能自发地产生或自发地消失，它只是从一种状态转换到另一种状态，在势能和动能之间交替转换。移动蒸汽机车的能量来自于埋藏的煤炭中储存的势能的释放，煤炭是由古代植物产生的，这些植物储存了来自太阳能量的势能。能量传递的每一步都是一条回到宇宙中原始能量源的路径——能量不是凭空产生的。这些科学定律或规则经过了多年无法制造永动机的尝试的验证。没有能量源就能够持续工作的机器是不可能的。
爱因斯坦的补充
[edit | edit source]然而，1905 年，阿尔伯特·爱因斯坦推翻了能量不能自发产生的科学定律或规则。他首次提出 E=m⋅c2。总能量 (E) 等于总质量 (m) 乘以光速 (c) 的平方。如果你能改变质量，它会产生大量的能量。这个等式将继续证明一种新的能源——核能——在这种能量中，质量减少或增加，并导致能量的自发释放。这个被称为能量守恒定律的科学规则或定律，必须修改为说明在质量恒定的封闭系统中，能量既不能创造也不能消灭。能量传递的研究被称为热力学，热力学指的是对热的学习，动力学指的是对运动的学习。
利用能量守恒定律，工程师们设想了一种理论装置，它可以在势能和动能之间交替能量，而不会因热而损失任何能量。在物理学中，这被称为对称性。输入系统的能量与从系统中检索的能量相同。然而，一次又一次的实验都无法证明这一点，在能量状态之间转换时，总会出现微量的能量损失。这种微量的能量损失被称为熵。熵是一个热力学量，表示系统热能转换为机械功的不可用性，通常被解释为系统无序或随机性的程度。在威廉·兰金的世界里，熵是指通过热量损失的能量，这阻止了任何系统在能量交换状态之间完全对称。熵是随着时间的推移而损失的能量，它会增加系统中的无序性。然而，能量守恒定律禁止能量的破坏。爱因斯坦的发现，即质量变化可以释放自发能量，表明可能存在导致自发能量破坏的改变。
1915 年，在哥廷根大学，两位教授正努力调和能量守恒定律和爱因斯坦的新相对论，于是他们邀请了一位最杰出的数学家来帮助他们。她的名字是埃米·诺特。埃米是附近埃尔朗根大学一位数学教授的女儿，她接替了父亲的职位，担任教师，尽管她是一名女性，但她没有得到为学生上课的报酬。她是一位受欢迎的、有点古怪的老师，她的学生要么崇拜她，要么被她搞糊涂了。当她被展示了这个问题时，她意识到能量守恒定律描述了势能和动能之间的对称关系，并且可以通过一种高级代数技术——对称性——当两个数学方程导致相同但对称的关系时，将它们翻转来与狭义相对论相协调。这就像看着镜子来描述镜子里反射的房间里存在的东西。这是一个极富智慧的理解，它带来了对能量守恒的深刻见解，直接导致了今天量子物理学的诞生。
你应该理解诺特定理的重要意义在于，熵与系统的速度和时间直接相关。由于系统在宇宙中的净速度或能量转换期间经过的时间，系统会损失能量。在地球上，地球的运动（用时间或速度衡量）是能量在势能和动能之间转换过程中损失微量能量的原因。当你考虑到以光速传播的能量系统时，这种见解是迷人的。接近光速时，时间会减慢，直到停止，此时势能和动能的转换完全对称，因此不存在熵。这种见解表明，光本身也是一种能量形式，只要它以光速传播，就不会观察到任何熵（热量损失）。当然，光在遇到任何阻力（如地球大气中的气体粒子或像晴天你脸上的固体物质）时会减速。此时，热量就会释放。光以光速穿过外太空的近真空，可以从宇宙另一端的星系传播到你在黑暗的星空下的眼睛，距离是难以置信的。正是由于对埃米·诺特的数学方程的深刻见解，我们才能用时间和速度的概念来解释熵，正如我们在地球上所观察到的那样。
你可以将你学到的关于能量本质和能量交换的知识概括为四条规则，即热力学定律。
- 定律 0
- 如果两个热力学系统各自与第三个系统处于热平衡，那么它们彼此之间也处于热平衡。这基本上说明我们可以用温度计来测量能量作为热量，当它们在系统内达到平衡时。
- 定律 1
- 能量守恒定律，它指出在质量恒定的封闭系统中，能量既不能创造也不能消灭。
- 定律 2
- 熵定律，对于以低于光速传播的封闭系统中的能量，当势能和动能之间存在能量传递时，由于系统的速度或时间差异，应用于后续传递的能量可用性会略有损失。因此，随着时间的推移，系统会变得更加无序和混乱。
- 定律 3
- 绝对零度定律：当系统温度接近绝对零度（-273.15°C，0°K）时，熵值会趋近于最小值。
在现代社会，随着社会发明了将能量转化为功的新设备（无论是以热量（改变家里的温度）、运动（用汽车把你送到学校）或电能（在电脑上显示这些文字）的形式，以及将能量储存在势能中以备后用（如给手机充电，以便晚上给你的朋友发短信），能量的使用变得更加关键。热力学定律定义了能量如何在状态之间移动，以及能量系统如何随着时间的推移通过熵变得更加无序。
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