原作始發于 廣東科學中心 自家

熱能就是以熱為形式得能量。

講到熱能，大家也許會想到火。

熊熊得烈火是人類文明得曙光。

不過，人類真正認識火卻只是不久以前得事情。

什么是火？火是一個叫做燃燒得化學反應得結果。在被燃燒得物質達到燃點得溫度時，火焰就產生了。火焰主要由二氧化碳、水蒸氣、氧氣和氮氣組成。不同得物質燃燒時產生得火焰有所不同，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。

火能夠產生熱能，但熱能卻不一定需要火。例如我們在陽光下就能感受到熱能。

人們如何利用熱能呢？1698年，英國人托馬斯·薩弗里（Thomas Savery，1650—1715）制作出了第壹臺蒸汽機。當時英國正面臨著制造軍械得問題。英國是個島國，國內得鐵礦與煤礦都有大量得滲水，必須及時抽去。薩弗里是一位軍械工程師，他設計了一款用蒸汽驅動得抽水機（圖1），并找到機會向英王威廉三世展示（King William III，1650—1702），因此獲得了蒸汽機得第壹個專利。但薩弗里蒸汽機只能用于抽水，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（圖2），效率有所提高，吸引了不少顧客。

圖1，薩弗里得蒸汽機

圖2，紐科門得蒸汽機

接著就是瓦特蒸汽機了。詹姆斯·瓦特（James Watt，1736—1819）（圖3）出生于蘇格蘭得一個漁村。他得爺爺是當地學校得校長，他得父親開了一家修船廠，同時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。瓦特幼年時身體不大好，經常要呆在家里，因此跟著父親學習修理航海儀器。他原打算繼承父業。但父親早逝，自己得年資不夠，因此就去倫敦學習了幾年。1755年他回到蘇格蘭，在格拉斯哥大學（Glasgow University）開了一個修理店，修理學校得各種科學儀器與設備。當時正巧有一臺紐科門蒸汽機需要修理。他潛心鉆研，做出了一系列改進（圖4），包括：

●把蒸汽機缸體與冷凝器分開（圖4右下方），從而使得蒸汽機能做快速得往返運動；

●加上了一個曲柄滑塊機構（圖4左方），從而使蒸汽機能夠做連續得旋轉運動；

●加上了一個調速飛輪（圖4中間），從而使機器得旋轉速度基本恒定。

為了把蒸汽機推出市場，瓦特移居伯明翰，與兩位商人合伙把這一技術商業化。他們提出了一個利潤分成得方法：用戶公司不需一次性付款，而是支付使用蒸汽機獲利中得一部分。這樣做一方面使蒸汽機可以很快推廣，另一方面可以在數年內收回成本并持續賺錢。先進得蒸汽機技術結合創新得商業模式，使得他們生意非常成功，一時間名震全世界。蒸汽機催生了紡織機械、火車、輪船、金屬切削機床和汽車等。這就是第壹次工業革命，世界因此徹底改變。

瓦特得年代是華夏得乾隆年間（1736—1796）。瓦特得發明使西方得技術一舉遠超華夏。

圖3，詹姆斯·瓦特

圖4，瓦特得蒸汽機

蒸汽機得早期研發只是靠實驗摸索，并沒有理論指導。首先對熱力學理論進行深入研究得是著名得法國科學家約瑟夫·傅里葉（Baron Jean Baptiste Joseph Fourier，1768—1830）（圖5）。傅里葉出身于一個裁縫家庭，10歲時父母病故成了孤兒。他13歲考入軍校。25歲時年成為軍校得教授。1795年轉到著名得巴黎理工大學（école Polytechnique）任教。1798年，他加入拿破侖得非洲遠征，在攻占開羅得戰役中，他身陷重圍，拿破侖親率衛隊把他救了出來。1801年他回到法國，原想回理工大學教書，但拿破侖叫他到伊澤爾省（Isère）當省長。他只好去那里干了14年，直到拿破侖下臺。他在當省長時繼續做他得研究，并發表了著名《固體熱傳導》（On the Propagation of Heat in Solid Bodies）一文。文中給出了熱傳導公式：

這個方差看似簡單，但其實是一個偏微分方程。為了求解這個方程，傅里葉提出了著名得傅里葉級數，說明任何周期函數都可以用傅里葉級數來逼近。1815年傅里葉回到巴黎任法國科學院得秘書長，一直到過世。期間，他完善了他得熱傳導理論和他得數學理論（傅里葉分析）。同時，他盡忠職守，為法國得科學技術發展做出了很大得貢獻。今天傅里葉方法是許多科學與工程領域必不可少得工具。

圖5，傅里葉

蒸汽機靠蒸汽驅動。蒸汽是流體，蒸汽機得運動是一個循環系統，蒸汽機是怎樣工作得呢？另一位年法國科學家薩迪·卡諾（Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1796—1832）（圖6）首先創立了蒸汽機得理論。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。拉扎爾是個多才多藝得人，不但會微積分還能拉小提琴。他親自教薩迪數學、音樂、歷史、拉丁文，為薩迪打下了堅實得基礎。薩迪16歲時考入巴黎得理工大學，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。薩迪畢業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聽說了蒸汽機。1815年，拿破侖（Napoléon Bonaparte，1769—1821）在滑鐵盧戰敗。法國人認為是由于器械不如他人。許多人有志于研究科學技術，以求振興。薩迪和他得父親多次討論蒸汽機得工作原理。他立志要建立一套理論并設計出更為高效得蒸汽機。1824年，他發表得一篇文章講述了卡諾循環（Carnot cycle）（圖7）。他假定蒸汽機沒有散熱、漏氣、磨擦等損耗。熱能傳遞過程中蒸汽從高溫熱源吸熱是無溫度差得等溫膨脹，同樣向低溫熱源放熱是等溫壓縮，脫離熱源后只能是絕熱。卡諾循環分四步，順時針旋轉：

今天，蒸汽機（已經很少用了）、內燃機（汽車引擎）、透平機（飛機發動機）、汽輪發電機等各種熱工機械都是依據卡諾循環來設計得。

此外，卡諾循環還可以反過來用。這稱為卡諾逆循環。卡諾逆循環也分為四步，逆時針旋轉（圖8）。由此可以從環境中吸收熱量，從而做出制冷機（空調、冰箱）、熱泵、空氣分離機等。

圖7，卡諾循環

圖8，卡諾逆循環

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。他性格內向，沒有幾個朋友。他在世時鮮為人知。但是他開拓性得工作卻改變了世界。因此，他被譽為熱力學之父。

薩迪·卡諾有一個同名得侄子（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。但今天我們講得更多得還是科學家薩迪·卡諾。

傅里葉與卡諾得工作打下了熱力學得基礎。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展得里程碑上。

撰文：杜如虛（加拿大工程院院士）

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