永动机不存在

机械革命，特别是蒸汽机的广泛使用，让人类第一次对能量格外关注。在农耕文明时代，社会需要人力和畜力，而在工业时代，人类需要能量，社会发展水平的高低可以直接用人均产生和消耗的能量来衡量。

然而能量都有哪些来源？它们都具有什么形式？不同形式的能量能否相互转化？如果能，它们是按照什么样的规律转化？在工业革命之前，没有太多科学家对这些问题做认真的研究，也不知道能量和机械做功的关系，以至很多人试图制造不需要使用能量也能工作的永动机。当然，这些努力无不以失败告终。全世界最早深入研究热力学问题的，并非大学教授或者职业科学家，而是英国的一位啤酒商。这个人就是我们中学物理课本中提到的大名鼎鼎的詹姆斯·焦耳（James Joule，1818—1889），能量的单位就是以他的名字命名的。

焦耳出生在一个富有的家庭，但他幼时并未被送到最好的小学，然后进入名牌中学和名牌大学。由于身体不好，父母只是将他送到一个家庭学校读书。在16岁那年，焦耳和他的哥哥在著名科学家道尔顿的门下学习数学，后来道尔顿因为年老多病无力继续授课，便推荐焦耳进入曼彻斯特大学学习。毕业后，焦耳开始参与自家啤酒厂的经营，并且在啤酒行业非常活跃，直到他去世前几年把啤酒厂卖掉为止。起初，做科学研究只是焦耳的个人爱好，不过随着他在科学上取得的成就越来越高，他在科学上花的精力也就越来越多。

▲图6.10 物理学家焦耳

1838年，焦耳在《电学年鉴》（Annuals of Electricity）上发表了第一篇科学论文，但是影响力并不大。1840—1843年，焦耳对电流转换为热量进行了大量的实验和研究，并很早就得出了焦耳定律的公式：Q=I2Rt，即电流在导体中产生的热量（Q）与电流（I）的平方、导体的电阻（R）和通电时间（t）成正比例关系。

这个公式是今天电学的基础，焦耳发现它后兴奋不已。不过，当焦耳把研究成果投给英国皇家学会时，皇家学会并没有意识到这是人类历史上最重要的发现之一，而是对这位“乡下的业余爱好者”的发现表示怀疑。

被皇家学会拒绝后，焦耳并不气馁，而是继续他的科学研究。在曼彻斯特，焦耳很快成了当地科学圈里的核心人物。1840年以后，焦耳的研究扩展到机械能和热能的转换。由于机械能（当时也称为功）相对热能的转换率较低，因此，这项研究成功的关键在于能够精确地测量出细微的温度变化。焦耳宣称他能测量1/200摄氏度的温度差，这在当时是无法想象的，所以皇家学会的科学家对此普遍持怀疑态度，并再次拒绝了焦耳的论文。不过，伦敦的主流科学家忘记了焦耳是啤酒商出身，他有着当时最准确的测量仪器，对温度的测量远比他们想象的准确得多。这篇重要的论文后来发表在《哲学杂志》上。

1845年，焦耳在剑桥大学宣读了他最重要的一篇论文——《关于热功当量》。在这次报告中，他介绍了物理学上著名的功能转换实验，同时还给出了对热功当量常数的估计，即1卡路里等于4.41焦耳。1850年，他给出了更准确的热功当量值4.159，非常接近今天精确计算出来的常数值。

▲图6.11 焦耳的热量测量仪

几年后，科学界逐渐接受了焦耳的功能转换定律。1850年，焦耳当选英国皇家学会会员，两年后，他又获得了当时世界上最高的科学奖——皇家奖章。1852年后，焦耳和著名物理学家威廉·汤姆森（Willian Thomson，1824—1907，又被称为“开尔文勋爵”）合作，完成了很多重大的发明和发现，包括著名的焦耳–汤姆森效应（JouleThomson effect），并且至今仍被应用在各种蒸汽机和内燃机引擎的设计中。此外，焦耳还提出了分子运动论，被学术界广泛接受。

在焦耳之前，人类对能量的了解非常有限，甚至一些发明家试图制造不费能量就能工作的永动机。焦耳通过他的研究成果告诉人们，能量（和动力）是不可能凭空产生的，它只能从一种形式转换成另一种形式。因此，像永动机那样的怪想法是不可行的，而人类能做的无非是提高转换的效率。恩格斯曾经这样总结焦耳的成就：“他向我们表明了一切……所谓的位能、热、放射（光或辐射热）、电、磁、化学能，都是普遍运动的各种表现形式，这些运动形式按照一定的度量关系由一种转变为另一种，因此，自然界中的一切运动都可以归结为一种形式向另一种形式不断转化的过程。”

焦耳后来获得了许多荣誉。1889年焦耳去世后，人们在他的墓碑上刻上了热功当量值，以纪念这位伟大的物理学家。同时，人们还引用了《圣经·约翰福音》中的一句话，概括焦耳勤奋工作的一生。

趁着白日，我们必须作那差我来者的工；黑夜将到，就没有人能作工了。（I must work the works of him that sent me，while it is day: the night cometh，when no man can work.）

能量守恒定律也被称为热力学第一定律，它证明了能量转换效率大于1的永动机是不存在的。但是是否存在能量转换效率等于1的蒸汽机和内燃机（统称为热机）呢？在焦耳的时代还没有人知道这些动力设备的效率极限是多少。当时还有人建议制造一种从海水中吸取热量，再利用这些热量做功的机器。海水的质量如此之大，以至整个海水的温度只要降低一点点，释放出的热量就足够人类使用了。这个想法，并不违背能量守恒定律，因为它消耗的是海水的内能。因此，人们把这种机器称为第二类永动机。但事实是，没有人能够让这件事情发生，其中的原因当时也没有人能解释清楚。

最早回答上述问题的是法国工程师萨迪·卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot，1796—1832），早在1824年，他就开始研究这个问题，并且找到了答案。卡诺通过一个假想的卡诺热机，设计了一个特别的热力学循环，给出了热机效率的极限值。但是，当时没有人认为卡诺是个科学家——他的著作无人阅读，他的成果无人承认。

1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius，1822—1888）明确提出，“不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响”，这被称为热力学第二定律，又被称为“克劳修斯表述”。后来，克劳修斯还发明了“熵”的概念，来描述分子运动的无序状态，并更好地解释了热力学第二定律——任何封闭系统只能朝着熵增加的方向发展。熵不仅被用于解释热力学现象，后来还成为信息论的基础。

1851年，威廉·汤姆森指出，“不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响”，这是热力学第二定律的开尔文表述。事实上，克劳修斯和汤姆森的两种表述在理论上是等价的。汤姆森的理论也直接否定了第二类永动机存在的可能性。

19世纪，物理学家从理论上指出了提高热机效率的方法。直到今天，工程师们在提高汽车和飞机发动机效率时，依靠的依然是一个半世纪前提出的热力学理论。正因为热机工作需要外来的能源，到了19世纪末，世界列强开始对能源展开争夺，因为能源关系到国家的发展，甚至是国家的存亡。从19世纪后期到今天，很多战争，包括第二次世界大战中的很多战役，都是围绕能源进行的。