地球/2a. 能量和热力学定律
在英国曼彻斯特的布鲁姆街，有一家很小的酒吧叫“鹅”。根据网上的评论，这是一家非常糟糕的酒吧，浴室很脏，酒保也很粗鲁，这些年来，它随着每位老板的更替而更名。它位于曼彻斯特的同性恋村的中心地带，但如果你回到两百年前，你可以在酒吧里买到焦耳啤酒。焦耳啤酒是由来自曼彻斯特的一位酿酒大师本杰明·焦耳酿造的，他酿造了一种浓烈的英式黑啤，这种啤酒让他在这个繁华的英国城市里名声大噪，并让他富裕起来。当他的儿子詹姆斯·焦耳出生时患有脊柱畸形，他倾尽所有为儿子提供适合上层阶级的教育。他的儿子詹姆斯·焦耳比酿酒师更像是一位科学家，他迷上了温度。他走到哪里都会带着一个温度计，并测量温度的差异。他勤奋地记录下所有观察结果，尤其是在帮助父亲酿造啤酒时。准确地确定酿造活动所需的温度是一项重要的技能，是他父亲教给他的，但詹姆斯却把它推向了极致。温度计并不是当时的新技术，丹尼尔·华伦海特和安德斯·摄尔修斯在近一个世纪前就已经发明了温度计，它们至今仍然用度（华氏度和摄氏度）作为各自的测量单位。不，詹姆斯·焦耳对温度的痴迷是独一无二的，因为它深深地吸引了他。最吸引他的是，你可以用各种方式改变物质的温度，比如一桶水。可以把它放在火上烧，也可以通电，或者快速搅拌，这些活动都会提高水的温度。测量温度的变化，是比较用来加热水的各种方法的一种数学方式。詹姆斯·焦耳已经开发出一种独特的方法来测量vis viva。
Vis viva是拉丁语中的“活力”，在詹姆斯·焦耳出生前的世纪，这个词用来描述两个物体相互碰撞时所产生的力或效应。艾萨克·牛顿将vis viva定义为物体质量与其速度的乘积之和。物体运动的速度越快，质量越大，它所具有的vis viva就越大。戈特弗里德·威廉·莱布尼茨则认为，速度更为重要，速度越快的物体，其vis viva会呈指数级增长。当这两个人争论不休时，是一位女性发现了答案。
她的名字是埃米莉·杜·夏特莱，她是她那一代最著名的科学家之一。埃米莉出生于一个小贵族家庭，嫁给了一位富有的丈夫，并致力于科学事业。她师从当时的一些伟大的数学家，发明了金融衍生品，与著名诗人伏尔泰相爱，并撰写了几本物理学教科书。在她自己的著作中，她描述了一个实验，实验中，不同质量的铅球从不同的高度落入厚厚的粘土层中。球在粘土中的深度与球落下的高度呈指数级增长，而与球的质量的增加无关。这表明速度比质量更重要，但这是很难测量的。
想象一下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，如果子弹的速度是它的10倍或100倍，它会造成同样的破坏吗？粘土实验表明，子弹只需要以快10倍的速度就能造成相同的破坏。尽管这很难量化，因为测量vis viva非常困难。
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，源于古希腊语ενέργεια。因此，据说能量 = 质量 × 速度2。这是“能量”一词第一次以现代意义使用。如今，我们称之为动能，即由物体的运动或移动引起的能量。这个方程实际上是
其中Ekin 表示 动能，m 表示物体的质量，v 表示它的速度。请注意，公式中有一个常数因子 ½。这种细微的修改是由 伽斯帕尔·古斯塔夫·科里奥利 在 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳 对温度计着迷的同时提出的，以他命名的 科里奥利效应。
能量究竟是什么？
[edit | edit source]詹姆斯·焦耳 通过他的实验表明，这种能量可以通过活动产生的热量（一桶水的温度变化）来测量。最初他的实验涉及电。在 1843 年，他在 英国科学促进会 的一次科学会议上展示，流过电流的水会变热，导致温度升高。他想知道是否可以证明动能（来自物体的运动）也会使水变热。如果属实，他可以使用观察到的水温变化来计算能量的精确测量单位。与此同时，许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，称为热质，它从冷物体移动到暖物体，这一观点得到了 氧气 是火必需品的知识的支持。 詹姆斯·焦耳 认为这个想法很愚蠢。他反驳说，导致水升温的原因是水被电、火或运动“激发”。这些活动会导致水振动。如果他能设计出一个实验来证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焰、电和经典的动能的能量。
能量单位焦耳的发现
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1845 年，他进行了最著名的实验，将一个重物系在绳子上，绳子拉动一个桨轮，搅拌一个绝缘桶里的水。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，会获得与之完全等量的热量。如今，能量以 焦耳 (J) 为单位，以纪念他的发现。
其中 J 表示焦耳，kg 表示千克，m 表示米，N 表示牛顿（力的单位），Pa 表示帕斯卡（压力的单位），W 表示瓦特（电力的单位），s 表示秒。
现代常用的电能单位是千瓦时，您会在电费单上看到这个单位。一千瓦时等于 3.6 兆焦耳（1000 瓦 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展示了他的研究成果，当时最杰出的科学家都参加了会议，包括 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，但他却难以赢得这位名叫 汤姆森 的年轻科学家的认可，他对此很着迷，但对这个想法持怀疑态度。詹姆斯·焦耳从科学会议回家后，一直想着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，他将要与他心爱的未婚妻，一个名叫阿米莉亚·格里姆斯的女孩子结婚。他们计划了一场浪漫的婚礼和蜜月，目的地是法国阿尔卑斯山，在翻阅法国阿尔卑斯山景点的小册子时，他偶然发现了一个非常浪漫的瀑布，从山间倾泻而下，叫做 萨兰什瀑布。他确信阿米莉亚会喜欢这个浪漫的瀑布，并写信给威廉·汤姆森，询问他是否可以和新婚妻子在 法国阿尔卑斯山 见面，他有一些东西想展示给他。
1847 年，这对浪漫的夫妇和持怀疑态度的威廉·汤姆森来到瀑布进行实验。你可以理解为什么詹姆斯·焦耳觉得这个瀑布很有趣。水不是简单地从悬崖上落下，而是在它沿着山坡向下倾泻的过程中，从岩石和边缘上翻滚落下，所有这些能量都随着水的落下而增加热量，正如詹姆斯·焦耳向持怀疑态度的威廉·汤姆森解释的那样，瀑布底部的水温将比瀑布顶部的水温高。他用最值得信赖的温度计测量了底部水池的温度，然后徒步走到瀑布顶部测量顶部水池的温度。水喷溅导致了不同的值。詹姆斯·焦耳淋湿了，为了避免掉进水里，他滑稽地尽其所能说服持怀疑态度的威廉·汤姆森，但数值差异太大，无法确定。尽管如此，这两个人还是成为了终身的朋友，几年后，阿米莉亚在分娩时去世，几天后他唯一的婴儿女儿也去世了，詹姆斯·焦耳隐退了社会，但一直与威廉·汤姆森保持着通信。
在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，他想象着水的小粒子变得兴奋，在这些能量的作用下振动， 因为它们沿着斜坡反弹。他想象热量是分子内部的振动能量，随着热量的增加，水会变成蒸汽，并以激发的气体粒子形式飘走，如果冷却就会结冰，因为振动能量会降低。他想象着温度的理论极限，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·汤姆森回到格拉斯哥大学，成为了一位年轻的、鲁莽的教授，他被绝对零度的概念所吸引。这是一个如此寒冷的温度，以至于物质所有的振动能量都将消失。如果在詹姆斯·焦耳的帮助下，将某物冷却到这个温度，会发生什么呢？他计算出这个温度将是−273.15° 摄氏度。物质不可能低于这个温度。在他多年的研究和教学中，威廉·汤姆森发明了许多新奇的装置，最著名的就是帮助铺设了第一条跨大西洋电报线，并被封为贵族，取名为开尔文勋爵，这个名字来源于格拉斯哥大学附近他家附近的一条河流。如今，科学家使用他提出的−273.15° 摄氏度作为 0° 开尔文，这是一个用来描述高于绝对零度的温度的计量单位。开尔文经常被科学家使用，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，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了这个超低温的边缘（目前的记录是 1 × 10−10° 开尔文，较大的制冷空间可以达到 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、超导性和超流性的出现。然而，科学家们仍然在这个寒冷的温度下探测到原子中微量的振动能量，这是一种将原子结合在一起的振动能量，被称为零点能，它之前已经被预测过。宇宙的背景温度约为 2.73° 开尔文，比绝对零度略高，因此在外太空的最冷区域，温度仍然比绝对零度高几度。
使用这个量表，你自己的太阳系温度范围从金星表面的 735° 开尔文到冥王星表面的 33° 开尔文。地球的温度范围从 185° 到 331° 开尔文，但大多数时候都在 288° 开尔文左右。地球的月球变化更大，它稀薄的大气温度在 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。苏格兰低地地区的森林供应有限，以至于在 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，可以为房屋提供热量，但必须从英格兰或德国运到该市。随着城市人口的增长，对煤炭的需求也在不断增长。一群投资者建议从南部引进当地煤炭。他们修建了一条轨道，用于运送装满煤炭的马车进城。然而，靠近城市的地方有一个陡坡，对于马匹来说太陡了，无法拉动装满煤炭的重物上坡。正是在这条轨道上，他们购买了两台大型蒸汽机来拉动马车上坡。每台蒸汽机都配备了燃煤炉，用来加热锅炉中的水，使水变成蒸汽。蒸汽可以打开进入气缸，气缸会来回滑动，将热能转化为机械能。气缸会转动滑轮，将装满煤炭的马车拉上斜坡进入城市。作为一名父亲负责将煤炭运送到城市的年轻男孩，威廉·兰金对这些大型蒸汽机的强大动力着迷。很快，马匹就被新型的蒸汽机车取代，这些机车依靠燃烧煤炭的力量轰鸣前进。他们为乘客提供乘车服务，很快，这条原本用于运输煤炭的铁路线成为了人们出行的热门方式。威廉·兰金学习了工程学，并成为新兴蒸汽动力领域以及蒸汽机车建造和操作领域的顶尖科学家。1850 年，他出版了关于该主题的权威著作，但他最伟大的作品可能是 1853 年出版的一本著作，他在书中描述了能量的传递。
詹姆斯·焦耳已经证明了运动可以转化为热量，而对蒸汽机车的研究表明，热量可以转化为运动。兰金完全赞同焦耳的能量守恒思想，但他意识到，在蒸汽机车中，能量的传递过程中发生了一些独特的事情。首先，使用燃烧煤炭产生的火焰加热水，沸腾的水产生蒸汽，但机车司机可以捕捉到这种能量，将其保存起来，直到阀门打开，蒸汽机车开始移动。兰金称这种捕获的能量为势能.
势能的一个经典例子是，将一个球滚上斜坡。在斜坡的顶部，球获得了势能。它可以永远保持在那里，但最终，球会释放这种能量，并滚下斜坡，产生动能。同样，手表里的弹簧可以被紧紧地绕起来，储存势能，而一旦弹簧被释放，手表就会表现出动能，因为它的表盘上的指针会移动记录时间。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，它的动能就会释放出来。储存势能所需的能量等于作为动能释放的能量。
兰金称动能为实际能量，因为它实际上做了功。在他 1853 年著名的论文中，他简单地陈述道：
“实际能量是一种可测量、可传递和可转换的物质影响，其存在会导致物质倾向于在其一个或多个方面改变其状态；通过这些变化的发生，实际能量消失，并被势能取代，势能由物质状态变化的量以及产生该变化的趋势或力（或等效地，克服该变化的阻力）的量共同测量。如果导致势能发展的变化完全逆转，那么随着势能的消失，之前消失的实际能量就会重新产生。”
概括一下威廉·兰金的说法：你输入设备的能量数量等于从设备中输出的能量数量，即使在势能储存和动能释放之间存在延迟。
此外，兰金继续指出：“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恒定不变的。”这是一个深刻的论断，但也是詹姆斯·焦耳所说的一句话，即宇宙中的能量是有限的，是一个固定的数量。能量不能自发产生，也不能自发消失，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。推动蒸汽机车前进的力量来自于埋藏在地下的煤炭储存的势能，而煤炭是由远古植物形成的，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通向宇宙中能量的原始来源——能量并非凭空产生。这些科学定律或规则是通过多年来试图制造永动机的失败尝试验证的。没有能量来源就能持续工作的机器是不可能的。
爱因斯坦的补充
[edit | edit source]然而，这个科学定律或规则，即能量不能自发产生，在 1905 年被阿尔伯特·爱因斯坦证明是错误的，他首次提出 E=m⋅c2。能量的总量 (E) 等于质量的总量 (m) 乘以光速 (c) 的平方。如果你能改变质量的量，它将产生大量的能量。这个等式将继续证明一种新的能量来源——核能——其中质量减少或增加，导致自发释放能量。这个被称为能量守恒定律的科学规则或定律必须修改为：在质量恒定的孤立系统中，能量不能被创造或毁灭。能量传递的研究被称为热力学，thermo- 表示热量的研究，dynamics- 表示运动的研究。
利用能量守恒定律，工程师设想了一种理论装置，该装置在势能和动能之间转换能量，并且由于热量而没有能量损失。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到的能量相同。然而，一次又一次的实验未能证明这一点，能量在状态之间转换时似乎总是存在微小的能量损失。这种微小的能量损失被称为熵。熵是表示系统热能不可用于转化为机械功的热力学量，通常被解释为系统无序度或随机性的程度。在威廉·兰肯的世界里，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。熵是随着时间推移的能量损失，这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。爱因斯坦发现质量的变化可以释放自发的能量，这表明可能存在释放自发能量破坏的变化。
1915 年，在 哥廷根大学，两位教授正在努力调和 能量守恒定律 和爱因斯坦的新 相对论，当他们邀请一位最杰出的数学家来帮助他们时。她的名字是 埃米·诺特。埃米是附近 埃尔兰根大学 一位数学教授的女儿，她继承了父亲的职位，尽管作为一名女性，她没有得到为学生上课的报酬。她是一位受欢迎的、有些古怪的老师，学生要么崇拜她，要么对她感到困惑。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，并且可以通过一种称为对称性的高级代数技术与狭义相对论相协调——当两个数学方程导致相同但对称的关系时，将它们翻转。这就像看着一面镜子来描述镜子中反映的房间里存在的东西一样。这是一个非凡的理解，它导致了对能量守恒的深刻洞察，直接导致了今天 量子物理学 的诞生。
诺特定理 对您理解的重要意义在于熵与系统的速度和时间直接相关。能量在系统中损失是由于系统在宇宙中的净速度，或者同样是能量转换期间经过的时间。在地球上，地球的运动（以时间或速度衡量）是势能和动能转换过程中能量微量损失的原因。当你考虑以光速行进的能量系统时，这种洞察力就变得令人着迷。接近光速时，时间会减慢直到停止，此时势能和动能的转化是完全对称的，因此没有熵。这样的洞察力表明，光本身是能量的一种形式，只要它以光速传播，就不会观察到任何熵（热量损失）。当然，光会减慢，因为它会撞击任何阻力，例如地球大气中的气体粒子或晴朗天气下你脸上的固体物质。此时，热量会释放出来。以光速穿过外太空近乎真空状态的光，可以从宇宙另一端的星系传播到黑暗星空夜晚你眼睛的难以置信的遥远距离。正因为我们对埃米·诺特的数学方程有了深刻的认识，我们才能在时间和速度的概念中解释熵，正如我们在地球上所观察到的那样。
您可以将您所学到的关于能量和能量交换本质的知识总结为四条规则，即热力学定律。
- 定律 0
- 如果两个热力学系统都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使用温度计测量能量作为热量，当它们在系统内达到平衡时。
- 定律 1
- 能量守恒定律，该定律指出在质量恒定的孤立系统中，能量既不能被创造也不能被毁灭。
- 定律 2
- 熵定律，对于以低于光速传播的孤立系统中的能量，当势能和动能之间发生能量转移时，由于系统的速度或时间差，应用于后续转移的能量可用性会略有损失。因此，系统会随着时间的推移而变得更加无序和混乱。
- 定律 3
- 绝对零度定律：当系统的温度接近绝对零度（−273.15°C，0° K）时，熵的值会趋于最小。
在现代社会，能量使用变得越来越重要，因为社会发明了新的设备，将能量转化为功，无论是热量形式（改变你家的温度）、运动形式（用汽车把你送到学校）还是电能形式（在电脑上显示这些文字），以及将能量存储为势能以备后用（例如，为手机充电以备今晚给朋友发短信）。热力学定律定义了能量如何在状态之间移动，以及能量系统如何通过熵随着时间推移变得更加无序。
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