梅乐芝经理的科普文章（八）（1 / 2）

第8节热-功

功就是力（外因）对物体作用的效果（状态）累计。一桶水置于地面，地球对水有重力作用，但是水的位置不变，状态没有发生变化，则重力对水没有做功。提一桶水匀速前进，首先克服水的重力，剩下的力才是对水做功。水由静止进入匀速前进的过程中，力对水的状态有改变。当水匀速前进时，状态又不变了。那么此时就没有做功。很费力气地把水提行长距离，但做功就在刚刚开始提水的时间段。那么人费的力气做什么了？都在克服阻力去了，匀速前进阶段，水本身受力的总和为0！

精确地描述功，就是物体在力的方向上前进的距离才算是力对物体作用的效果。如果力对物体进行作用，但是物体并没有在力的方向上有位置变动，则意味着一定存在什么因素，使得这个力劳而无功。那么功=力x距离（乘法就等于多个加法的进行，就是功的累计过程）。功的衡量单位是以英国人焦耳的名字命名。

愚公移山，只要愚公有足够的时间，他一个人就可以解决这个问题。但时间永远是个问题。为了反映功的效率，就必须同时考虑功和时间。为此提出功率这个概念，就是一定时间内做的功。这个就容易衡量对物体作用的能力大小。那么功率=功/时间。功率的衡量单位是以英国人瓦特的名字命名。这多么英国人的名字出现不奇怪，毕竟工业革命是从英国开始，日不落帝国是依靠实力实现的，不是自我催眠的结果。

瓦特的单位太小，一般使用千瓦做功率单位。马力也是常用功率单位，1马力=735瓦特。俗语也常用马力作为功率的代名词，比如说汽车马力大不大。100瓦大概是什么概念呢？现在健身比较流行，健身器材中哑铃有重有轻。100瓦相当于1秒内把10公斤重的哑铃举高1米。某个人身高18米，体重90公斤，深蹲在地上，1秒内站直，则双腿的功率大约是900瓦。

功可以产生热，比如钻木取火。热可以产生功，比如蒸汽机。是否可以认为热和功其实是同一现象的不同体现呢？从分子的角度开看待这个问题。力作用在物体上，物体在力的方向上产生一定速度前进，物体内各分子本来都在运动，现在物体本身在运动，相当于分子在原运动的基础上又向力的方向运动。热是分子运动的综合。吸收热意味着分子运动速度加快，散发热意味着分子运动速度降低。那么功产生热其实是分子运动中的定向运动（物体速度）消失，转化为分子各自运动速度加快。热产生功则是分子运动速度降低，却带来了整体定向运动。

焦耳花了很多年时间检验热和功的关系，试图找出双方的定量关系。最终验证了功产生热的关系：418焦耳（功）=1卡（热），称为热功当量。

为了统一热和功的形式，我们换一种说法，热和功都是能量的外在形式，本质都是能量（功和能量在形式上相同，但有些区别。能量是物体具有的某种性质，功是物体做出的某种性质。换而言之，能量是物体所有，功是物体所为。）热和功的转换，意味着能量转换，能量总和保持不变。称之为能量守恒。

功有多种存在形式，常见的就是势能和动能。势能就是位置变高，导致在回复原位置时可以产生动能。势可以理解为潜在的，势能就是潜在的、存储起来的能量。蓄势待发正说明了势能的作用。动能则完全是功基本定义的直接结果，因为力的作用使得物体运动，物体的惯性运动蕴含的能量完全等于力作用的积累。

思考：

1月球绕着地球转，月球的前进方向和地球引力始终垂直。地球引力虽然改变着月球的状态（月球的前进方向一直在变），却没有作出任何功。忽略的太阳木星等星体对月亮的影响，那么月亮的环绕从来就没有被地球改变过。（事实上月亮绕地球是椭圆轨道，在某个轨道阶段地球引力会轻微地做功，但最终月球的势能动能总和不变。）

2机械时代的怀表或手表，都有上弦过程，这是在存储弹性势能。势能缓慢地释放成表的指针运动和内部机械运动动能。后期出现自动储能结构，手表在手臂晃动中存储动能，免去了上弦的步骤。

3现在水电站非常多，刨去生态破坏和地质破坏因素外，这个是很绿色的能源。水库蓄水存储了大量重力势能，放水发电则是势能转为动能再转为电能。现在电力需求在不同时间差异很大，白天到晚上10点，电力供应紧张，深夜电力需求很小。现在可以使用势能存储办法来改善这种情况。深夜时，耗电抽水至水库，把电能存为势能。白天放水发电，将势能转为电能，补充电网。在自然界，大河周围存在许多湖泊。在洪水季节，湖泊可以大量蓄水，降低洪涝灾害程度。旱季又可以补充河水，是天然的弹性结构。

4燃烧同重量木柴和火药，木柴释放的热量更大。但是火药可以瞬间把能量释放出来，虽然总能量不大，瞬间功率非常大。天空中的闪电，总能量不大，但也是瞬间释放，功率同样非常大。照相机的闪光灯，充电完成后就可以发出强光，进行拍摄。核电站的原子能释放功率巨大，必须增加大量附属设施降低功率。

5能量守恒，得到能量的同时，意味着

（本章未完，请翻页）其他地方在失去能量或能量的等价对象。砍伐树木烧火，获得热能，每年树木都在生长。树木的生长能量来自太阳。事实上，在地球上的任何可持续使用的能量，都是太阳能的转换。（原子能不是来自于太阳，是来自于以前的恒星爆炸遗迹。这些遗迹的残渣组成了地球，也就是说原子能来自于其他已经消失的太阳。）

6能量存在的形式多样，热能、机械能、化学能、原子能、电磁能都是能量的不同形式。人工的某种能量转换过程，总是伴随着其他类型的能量转换。发电方式包括了多种能量转换方式：热能转电能，有热电、机械能转电能，有风电、水电、原子能转电能，有核电，电磁能转电能，有太阳能发电，化学能转电能，有燃料电池发电。无论哪种方式，能量转变为电能的效率达不到100%。多数都以热能的形式散发到大气中。自然的能量转换不存在这样的目的性。所以就没有效率这样的标准。

热功当量表明，418焦耳的功可以转换为1卡的热量，但是并不意味着1卡热量可以转换为418焦耳功！热只对应分子运动速度，但对整体运动方向无要求。功却是要求运动整体有方向。要求更高。简单地说，功比热更有序，破坏比创造容易。

法国人卡诺仔细研究热转功的问题，给出了理想热机的效率计算公式。即便是理想热机，效率也无法到100%。更不要说实际的热机，效率只会更低。人类设计了若干热机，将热转为功。

最早就是蒸汽机，使用燃料加热水，生成高压蒸汽推动活塞产生定向运动。活塞带动一根摇臂轴和曲壁将往复运动转换为旋转运动。现在只能在博物馆见到的蒸汽机火车头，就是这类机械的应用。在军事竞争下，出现多胀式蒸汽机，高温蒸汽通过多个汽缸做功，提高了效率和功率。十九世纪末期，当时军舰采用多胀式蒸汽机做动力。随之出现了汽轮机（蒸汽涡轮机），高压蒸汽直接喷在涡轮上的叶片（想象风车的叶片），产生旋转运动。功率可以做得非常大，二十世纪初应用于军舰动力，现在多用于热电厂。核电厂发电，也是使用汽轮机进行。事实上，核动力航母、潜水艇，都是使用汽轮机为动力，而核反应堆无法产生动力，本质就是超大功率的锅炉，只能产生高压蒸汽。内燃机，采用汽油、柴油、可燃气体等，在气缸内直接燃烧生成高温高压气体推动活塞运动，略过了加热水生成高压蒸汽的过程，效率比蒸汽机高。由于体积小，功率适中，广泛应用于汽车工业，早期飞机也采用这类型发动机做动力（有一种内燃机，旺凯尔发动机，可以直接产生旋转运动）。由蒸汽机改为汽轮机的思路出发，内燃机改为燃气轮机。这种机械体积小，功率大，推重比高，用于飞机动力。火箭发动机则是原理最简单的喷气推进动力机械。燃料燃烧产生高温高压气体直接喷出，推动火箭前进。

原理完全不同的热功转换装置：燃料电池。这种温和燃烧发生在质子膜上，并没有高温产生，直接转换为电力，是研究的热点。早在50年前就在宇宙飞船上使用，目前已经商业化。

机械名称燃料工作方式驱动方式动力转换功率

蒸汽机煤、重油燃烧加热水产生高温高压蒸汽蒸汽驱动活塞产生定向运动定向->旋转大

汽轮机煤、重油、核反应加热水产生高温高压蒸汽高压蒸汽驱动涡轮叶片直接产生旋转运动无非常大

内燃机轻油、可燃气燃烧直接产生高温高压气体高压气体驱动活塞产生定向运动定向->旋转中