日期：2017-08-15 22:47:31
　　能量守恒的概念起源比较早，可能源于对永动机的思考。据说永动机是印度人发明的，后来传到欧洲，到了十三世纪的某年，一个叫亨利的人对其进行改良：
　　一个圆盘上面挂着12个小球，先初始化圆盘转动（假设顺时针），左边部分的小球比右边力矩要大，然后部分带动着整体转下去。实际上，这是利用部分势能与整体的动能之间的转。
　　永动机让人类心向往之，一直以来都是热议的话题之一。画家达芬奇也设计过很多的永动机，结果都失败了，最终他下了个结论：永动机根本不存在。直到19世纪，还有很多人尝试制作永动机。
　　对带上热量的“能量守恒”的探索还要追溯到对人体的研究。德国有一个名叫迈尔（Meyer，1814—1878，不少书翻译成梅耶）赤脚医生，喜欢独自看病。1840年的某天，他来到了印度尼西亚，那是热带地区，欧洲人多有水土不服，有的水手生病了。按照惯例，迈尔要对病人进行放血治疗。在西方，放血疗法起源于很早很早，当时人们认为人体的液体过多和过少都会生病，于是放掉一些以保持健康。放血多是放呈褐色静脉血，可是迈尔对水手们放血时吃了一惊，开始他还以为扎到了病人的动脉，要不然放出的血怎么如此鲜红？仔细发现，原来没有扎错。迈尔凡事都好个琢磨，他把这件事直接琢磨到太阳上了。

　　动脉血之所以比静脉血要红，是因为含有大量的氧，氧在体内的化学作用为人体提供热量与能量。印尼天比欧洲热，所以人不需要燃烧那么多氧来提供热量，多余的就流到了静脉血中。于是他又想人体的热量是怎么来的呢？无疑是通过心脏的搏动，可是小小心脏做的机械功，根本就是杯水车薪，那人体的热量应该来自于食物，食物无论荤素归根到底都是植物身上，也就是光合作用，那么人体的热量肯定来源于太阳。太阳的热能又怎么转换成人体的热能的呢？这是一种能量的转化，再此过程中，能量应该保持守恒。

　　1942年，从印尼回到德国，迈尔发表名为《论无机界的力》的论文——此处的“力”便是能量。显然这与当时社会格格不入的，历史上不乏有人做着千夫所指的事，到最后不是成为了“神”就是成为了“神经病”，不幸的是迈尔成为了后者。他的理论没有得到社会的认可，反而招来无端的指责，外界甚至迈尔的家人都怀疑迈尔是不是“疯了”？外加上幼子夭折，生活和事业的双重不幸终于击垮了迈尔，他尝试自杀，却只摔断了腿。于是他住进了精神病院，过了八年的非人折磨。好在苦尽甘来，他的理论被社会承认，也获得了一切该早就得到东西。那时人类已经接受热是一种能量，且还能保持守恒了。

　　不得不说，焦耳的能量守恒理论差一点也遭到夭折。在1845年的一次报告会上，焦耳提出热的能量说，底下听众直摇头，其中就包括赫赫有名的法拉第。法拉第直接承认他对此很怀疑并表示被焦耳的理论震惊了，而约翰汤姆逊更是直接扬长而去。到了1847年，焦耳参加英国科学协会的会议时，会议主席不打算让焦耳发言，最终在焦耳的恳求下，同意他说一点关于实验的事。焦耳小心翼翼，边做实验边解释热与能量的关系。坐在底下的约翰汤姆逊坐不住了，他站起来叫道：“胡说，热是一种物质，是热质，与功毫无关系。”

　　焦耳冷冷地问：“如果热不能做功，蒸汽机是怎么工作的？能量要是不守恒，为什么到现在还造不出永动机？”
　　整个会场鸦雀无声，听众们终于开始意识到有必要审视这个荒诞不经的想法了。汤姆逊也放下成见，开始重新思考，重新做实验，重新找资料。当他读到迈尔的论文时，才觉得当时是多么的草率和无礼，于是打算登门负荆请罪，他在酿酒厂找到了焦耳。在谈话中，汤姆逊提到了迈尔，焦耳遗憾的说：“你说的是那位自杀未遂的医生吧？他已经被关进了精神病院......”或许此时的焦耳后脊背还冒着冷汗......

　　至此，热是能量，并保持能量守恒并广泛接受了。几乎与焦耳同时，德国物理学家亥姆霍兹（Helmholtz，1821—1894）总结了迈尔、焦耳的工作，严谨地论证了力学、热学、电学、声学等各种运动中的能量守恒。
　　热力学第一定律（又称能量守恒与转换定律）建立了。能量守恒宣告了永动机是不可能实现的，因为人类建立不了一种“理想”的环境，让两种能量相互转换而不受影响。比如将A杯中的水倒入另外一个空杯子B中，再B倒回到A杯中（能量转换），即便一点没洒，A杯中的水也会比之前的要少，因为水过地皮湿，总有一点点蘸到B中（能量消耗），再也回不到整个系统中来。
　　日期：2017-08-15 23:03:50
　　第二十五回：热力学
　　热力学与其他科学不同的地方在于，它先有工程才有了理论。尽管尚不清楚热质到底为何方神圣，但是不妨碍人类利用热挣大钱。早在18世纪中叶，人类已经用热发明了蒸汽机（热机）——这正是第一次工业革命的基础。
　　蒸汽机源于牛顿时代的活塞的发明，用蒸汽作为一种动力可能要追索到亚历山大时代，后来人类使用蒸汽作为动力推动活塞来回运动，当A气缸的温度高时，活塞向B气缸运动；相反，B气缸温度高时，活塞向A气缸运动。
　　最原始蒸汽机的滑动阀只能开和关，不能移动，当想要活塞向A移动时，则必须对A气缸气体迅速冷凝，于是人们开始直接浇水冷却。如此一来，蒸汽就浪费了。在这种情况下，詹姆斯瓦特（James Watt，1736—1819）出手了，他首先将冷凝装置与蒸汽分离，采用外部水循环重复利用。在B气缸部分增加加热装置。到了1782年，瓦特又改良了蒸汽机，将滑动阀设置为来回运动，使得AB气缸温度循环交替（如上图）。

　　即便如此，蒸汽机的工作效率仍然很低下。当时人类对热机的物理原理还处于懵懂状态，所以有很多人尝试用空气、二氧化碳甚至酒精来代替蒸汽，结果都因盲目而无功而返。
　　恩格斯说社会的需求比十所大学更能推进科学前进。工程师卡诺（Carnot，1796－1832）便在这种社会需求下千呼万唤始出来。他不从机械运动的原理出发，转而研究热的本质。
　　卡诺出生于法国的一个科学世家，他的父亲既是一名拿破仑政府的要员也是一名出色的科学家。在家境的熏陶下，卡诺一路也算得上顺风顺水。1812年，卡诺考上大学，遇到一批名师的指导，其中就有安培、阿拉果等等。

　　1824年，卡诺发表论文《关于火的动力》，提出了“卡诺热机”和“卡诺循环”的概念。
　　如果说活塞来回运动是一部电影，那么上面四个图就是卡诺将电影暂停后的截屏。截屏后每个状态都是平衡的。为了简便，我们用三角重物的势能表示气缸的另外一部分，四个图中，重物的总势能保持不变。