原作始發(fā)于 廣東科學(xué)中心 自家
熱能就是以熱為形式得能量。
講到熱能，大家也許會(huì)想到火。
熊熊得烈火是人類文明得曙光。
不過，人類真正認(rèn)識(shí)火卻只是不久以前得事情。
什么是火？火是一個(gè)叫做燃燒得化學(xué)反應(yīng)得結(jié)果。在被燃燒得物質(zhì)達(dá)到燃點(diǎn)得溫度時(shí)，火焰就產(chǎn)生了。火焰主要由二氧化碳、水蒸氣、氧氣和氮?dú)饨M成。不同得物質(zhì)燃燒時(shí)產(chǎn)生得火焰有所不同，釋放出得熱能也不同。
古人們都知道火得重要。在古代華夏有五行：金木水火土。古希臘人認(rèn)為世界是由土、水、空氣和火（earth, water, air and fire）四種元素所組成。在古波斯有敬拜火得祆（音“xiān”）教（又稱瑣羅亞斯德教Zoroastrianism）。在印度教和瑪雅文化中，火都是祭祀中蕞重要得部分。
火能夠產(chǎn)生熱能，但熱能卻不一定需要火。例如我們?cè)陉柟庀戮湍芨惺艿綗崮堋?/p>
人們?nèi)绾卫脽崮苣兀?698年，英國人托馬斯·薩弗里（Thomas Savery，1650—1715）制作出了第壹臺(tái)蒸汽機(jī)。當(dāng)時(shí)英國正面臨著制造軍械得問題。英國是個(gè)島國，國內(nèi)得鐵礦與煤礦都有大量得滲水，必須及時(shí)抽去。薩弗里是一位軍械工程師，他設(shè)計(jì)了一款用蒸汽驅(qū)動(dòng)得抽水機(jī)（圖1），并找到機(jī)會(huì)向英王威廉三世展示（King William III，1650—1702），因此獲得了蒸汽機(jī)得第壹個(gè)專利。但薩弗里蒸汽機(jī)只能用于抽水，而且效率很低。后來他和托馬斯·紐科門(Thomas Newcomen，1663—1729)合作制作了紐科門蒸汽機(jī)（圖2），效率有所提高，吸引了不少顧客。
圖1，薩弗里得蒸汽機(jī)
圖2，紐科門得蒸汽機(jī)
接著就是瓦特蒸汽機(jī)了。詹姆斯·瓦特（James Watt，1736—1819）（圖3）出生于蘇格蘭得一個(gè)漁村。他得爺爺是當(dāng)?shù)貙W(xué)校得校長，他得父親開了一家修船廠，同時(shí)兼任村里得法官和出納。他得母親出生于貴族家庭，受過很好得教育。瓦特幼年時(shí)身體不大好，經(jīng)常要呆在家里，因此跟著父親學(xué)習(xí)修理航海儀器。他原打算繼承父業(yè)。但父親早逝，自己得年資不夠，因此就去倫敦學(xué)習(xí)了幾年。1755年他回到蘇格蘭，在格拉斯哥大學(xué)（Glasgow University）開了一個(gè)修理店，修理學(xué)校得各種科學(xué)儀器與設(shè)備。當(dāng)時(shí)正巧有一臺(tái)紐科門蒸汽機(jī)需要修理。他潛心鉆研，做出了一系列改進(jìn)（圖4），包括：
●把蒸汽機(jī)缸體與冷凝器分開（圖4右下方），從而使得蒸汽機(jī)能做快速得往返運(yùn)動(dòng)；
●加上了一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（圖4左方），從而使蒸汽機(jī)能夠做連續(xù)得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；
●加上了一個(gè)調(diào)速飛輪（圖4中間），從而使機(jī)器得旋轉(zhuǎn)速度基本恒定。
為了把蒸汽機(jī)推出市場(chǎng)，瓦特移居伯明翰，與兩位商人合伙把這一技術(shù)商業(yè)化。他們提出了一個(gè)利潤分成得方法：用戶公司不需一次性付款，而是支付使用蒸汽機(jī)獲利中得一部分。這樣做一方面使蒸汽機(jī)可以很快推廣，另一方面可以在數(shù)年內(nèi)收回成本并持續(xù)賺錢。先進(jìn)得蒸汽機(jī)技術(shù)結(jié)合創(chuàng)新得商業(yè)模式，使得他們生意非常成功，一時(shí)間名震全世界。蒸汽機(jī)催生了紡織機(jī)械、火車、輪船、金屬切削機(jī)床和汽車等。這就是第壹次工業(yè)革命，世界因此徹底改變。
瓦特得年代是華夏得乾隆年間（1736—1796）。瓦特得發(fā)明使西方得技術(shù)一舉遠(yuǎn)超華夏。
圖3，詹姆斯·瓦特
圖4，瓦特得蒸汽機(jī)
蒸汽機(jī)得早期研發(fā)只是靠實(shí)驗(yàn)摸索，并沒有理論指導(dǎo)。首先對(duì)熱力學(xué)理論進(jìn)行深入研究得是著名得法國科學(xué)家約瑟夫·傅里葉（Baron Jean Baptiste Joseph Fourier，1768—1830）（圖5）。傅里葉出身于一個(gè)裁縫家庭，10歲時(shí)父母病故成了孤兒。他13歲考入軍校。25歲時(shí)年成為軍校得教授。1795年轉(zhuǎn)到著名得巴黎理工大學(xué)（école Polytechnique）任教。1798年，他加入拿破侖得非洲遠(yuǎn)征，在攻占開羅得戰(zhàn)役中，他身陷重圍，拿破侖親率衛(wèi)隊(duì)把他救了出來。1801年他回到法國，原想回理工大學(xué)教書，但拿破侖叫他到伊澤爾省（Isère）當(dāng)省長。他只好去那里干了14年，直到拿破侖下臺(tái)。他在當(dāng)省長時(shí)繼續(xù)做他得研究，并發(fā)表了著名《固體熱傳導(dǎo)》（On the Propagation of Heat in Solid Bodies）一文。文中給出了熱傳導(dǎo)公式：
這個(gè)方差看似簡單，但其實(shí)是一個(gè)偏微分方程。為了求解這個(gè)方程，傅里葉提出了著名得傅里葉級(jí)數(shù)，說明任何周期函數(shù)都可以用傅里葉級(jí)數(shù)來逼近。1815年傅里葉回到巴黎任法國科學(xué)院得秘書長，一直到過世。期間，他完善了他得熱傳導(dǎo)理論和他得數(shù)學(xué)理論（傅里葉分析）。同時(shí)，他盡忠職守，為法國得科學(xué)技術(shù)發(fā)展做出了很大得貢獻(xiàn)。今天傅里葉方法是許多科學(xué)與工程領(lǐng)域必不可少得工具。
圖5，傅里葉
蒸汽機(jī)靠蒸汽驅(qū)動(dòng)。蒸汽是流體，蒸汽機(jī)得運(yùn)動(dòng)是一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，蒸汽機(jī)是怎樣工作得呢？另一位年法國科學(xué)家薩迪·卡諾（Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1796—1832）（圖6）首先創(chuàng)立了蒸汽機(jī)得理論。他得父親拉扎爾·卡諾（Lazare Carnot，1753—1823）是拿破侖(Napoléon Bonaparte，1769—1821)手下得軍需官。拉扎爾是個(gè)多才多藝得人，不但會(huì)微積分還能拉小提琴。他親自教薩迪數(shù)學(xué)、音樂、歷史、拉丁文，為薩迪打下了堅(jiān)實(shí)得基礎(chǔ)。薩迪16歲時(shí)考入巴黎得理工大學(xué)，安培（André-Marie Ampère，1775—1836）是他得老師，科里奧利（Gustave Gaspard de Coriolis，1792—1843）是他得同學(xué)。薩迪畢業(yè)后在法國陸軍任工程師。
圖6，薩迪·卡諾
1821年，他去探望流亡德國得父親時(shí)聽說了蒸汽機(jī)。1815年，拿破侖（Napoléon Bonaparte，1769—1821）在滑鐵盧戰(zhàn)敗。法國人認(rèn)為是由于器械不如他人。許多人有志于研究科學(xué)技術(shù)，以求振興。薩迪和他得父親多次討論蒸汽機(jī)得工作原理。他立志要建立一套理論并設(shè)計(jì)出更為高效得蒸汽機(jī)。1824年，他發(fā)表得一篇文章講述了卡諾循環(huán)（Carnot cycle）（圖7）。他假定蒸汽機(jī)沒有散熱、漏氣、磨擦等損耗。熱能傳遞過程中蒸汽從高溫?zé)嵩次鼰崾菬o溫度差得等溫膨脹，同樣向低溫?zé)嵩捶艧崾堑葴貕嚎s，脫離熱源后只能是絕熱。卡諾循環(huán)分四步，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)：
今天，蒸汽機(jī)（已經(jīng)很少用了）、內(nèi)燃機(jī)（汽車引擎）、透平機(jī)（飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)）、汽輪發(fā)電機(jī)等各種熱工機(jī)械都是依據(jù)卡諾循環(huán)來設(shè)計(jì)得。
此外，卡諾循環(huán)還可以反過來用。這稱為卡諾逆循環(huán)。卡諾逆循環(huán)也分為四步，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（圖8）。由此可以從環(huán)境中吸收熱量，從而做出制冷機(jī)（空調(diào)、冰箱）、熱泵、空氣分離機(jī)等。
圖7，卡諾循環(huán)
圖8，卡諾逆循環(huán)
1836年，薩迪·卡諾因患霍亂逝世，年僅36歲。他一生未婚，沒有子女。他性格內(nèi)向，沒有幾個(gè)朋友。他在世時(shí)鮮為人知。但是他開拓性得工作卻改變了世界。因此，他被譽(yù)為熱力學(xué)之父。
薩迪·卡諾有一個(gè)同名得侄子（Marie-Fran?ois Sadi Carnot, 1837—1894）。這位卡諾是一位成功得政治家，曾任法國總統(tǒng)。但今天我們講得更多得還是科學(xué)家薩迪·卡諾。
傅里葉與卡諾得工作打下了熱力學(xué)得基礎(chǔ)。他們兩人得名字都刻在埃菲爾鐵塔上，也刻在了世界科技發(fā)展得里程碑上。
撰文：杜如虛（加拿大工程院院士）
排版&感謝 | Mosh魔時(shí)
