高中物理 第四章 机械能和能源 第6节 能量 能量转化与守恒定律 否定永动机素材 粤教版必修2（通用）

第6节 能量 能量转化与守恒定律 否定永动机据说永动机的概念发端于印度，在公元12世纪传入欧洲。据记载欧洲最早、最著名的一个永动机设计方案是13世纪时由法国V亨内考提出来的。随后，研究和发明永动机的人不断涌现，尽管有不少学者研究指出永动机是不可能的。文艺复兴时期意大利学者达芬奇曾经花费不少精力研究永动机，最后得到永动机不可制造的结论。同时代的J卡丹（以最早给出求解三次方程的根而出名），也认为永动机是不可能的。第一类永动机违背了能量守恒定律，而第二类永动机则违背了热力学第二定律。随着对永动机不可能性的认识，一些国家的专利局决定不再受理发明永动机的专利申请。经验性表述13世纪，人们开始萌发制造永动机的愿望。15世纪，伟大的艺术家、科学家和工程师达芬奇投入了永动机的研究工作。1475年，达芬奇认真总结了历史上的失败教训，得出一个重要结论：“永动机是不可能造成的。” 他还认识到，机器之所以不能永动下去，与摩擦有关。于是对摩擦进行深入而有成效的研究。但是达芬奇始终没有对摩擦阻碍机器运动作出科学解释，尚不能认识摩擦（机械运动）与热现象之间转化的本质联系。此后有一部分学者相继得出“永动机是不可能造成的”结论，并把其作为一条重要原理用于科学研究之中。荷兰的数学力学家S斯台文，于1586年运用这一原理通过对“斯台文链”的分析，率先引出力的平行四边形定则。伽利略在论证惯性定律时也应用过这一原理。伽利略设计的第一类“永动机”1673年，C惠更斯在摆式时钟一书中反映了这种观点。把伽俐略关于斜面运动的研究成果运用于曲线运动，从而得出结论：在重力作用下，物体绕水平轴转动时，其质心不会上升到它下落时的高度之上。因而得出用力学方法不可能制成永动机的结论。历史上运用“永动机是不可能制成”的这一原理在科研上取得辉煌成就的是法国青年科学家卡诺。1824年卡诺推出“卡诺定理”，原理只能在机械运动和“热质”流动中运用，不是现代意义上的能量转化和守恒定律，只是机械运动中的能量守恒的经验总结，是定律的原始形态。“第一类永动机是不可能造成的”是热力学第一定律的另一种表述方式。在第一定律确立前，曾有许多人幻想制造一种不消耗能量，但可以作功的机器，称为第一类永动机。制造这种永动机的努力的彻底失败，从反面促进了能量守恒和转化定律的建立6。热力机械1798年，美国人C朗福德发现用镗具钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料发烫。朗福德注意到只要镗钻不停止，金属就不停地发热。结论是镗具的机械运动转化为热，因此热是一种运动形式，而不是以前认为的是一种物质。朗福德试图计算一定量的机械能所产生的热量，首次给出一个粗略的热功当量的数值。半个世纪后，焦耳提供了正确数值。1712年，英国人T纽可曼发明了大气压蒸汽机。这种机器具有汽缸与活塞， 工作时先把蒸汽导入汽缸， 这时汽缸停止供汽而汽缸内进水，蒸汽遇冷凝结为水使汽缸内的气压迅速降低，可以把水吸上来。之后再把蒸汽导入汽缸，进入下一个循环。最初的这种蒸汽机约每分钟往返十次，可以自动工作，使矿井的抽水工作大为便利。J瓦特在18世纪后半叶对蒸汽机进行了改进。其中最重要的改进有两项，一项是发明了冷凝器提高了蒸汽机的效率，另一项是发明了离心调速器使蒸汽机速度可以自由控制。在瓦特改进蒸汽机之后，工业上才得到普遍使用。温度计的发明关于热的精确理论应当从制造温度计开始。17世纪，G伽利略等人开始制作温度计。由于采用的温标使用不方便，后人很少使用。1714年，实用温标是德国物理学家D华伦海开始使用水银做温度计，并且不断改进，1717年确定了华氏温标。科学家正式确定华氏温标为：以水的沸点为212度，把32度定为水的冰点。这样规定，是尽量使通常的温度避免取负值。1742年至1743，瑞典天文学家A摄耳修斯发明了摄氏温标，以标准状态下水的结冰温度为零度，水的沸点为100度。1948年摄氏温标被国际度量衡会议定为国际标准。