地球/2a. 能量和熱力學定律
在英國曼徹斯特的布魯姆街，有一家很小的酒吧叫“鵝”。根據網上的評論，這是一家非常糟糕的酒吧，浴室很髒，酒保也很粗魯，這些年來，它隨著每位老闆的更替而更名。它位於曼徹斯特的同性戀村的中心地帶，但如果你回到兩百年前，你可以在酒吧裡買到焦耳啤酒。焦耳啤酒是由來自曼徹斯特的一位釀酒大師本傑明·焦耳釀造的，他釀造了一種濃烈的英式黑啤，這種啤酒讓他在這個繁華的英國城市裡名聲大噪，並讓他富裕起來。當他的兒子詹姆斯·焦耳出生時患有脊柱畸形，他傾盡所有為兒子提供適合上層階級的教育。他的兒子詹姆斯·焦耳比釀酒師更像是一位科學家，他迷上了溫度。他走到哪裡都會帶著一個溫度計，並測量溫度的差異。他勤奮地記錄下所有觀察結果，尤其是在幫助父親釀造啤酒時。準確地確定釀造活動所需的溫度是一項重要的技能，是他父親教給他的，但詹姆斯卻把它推向了極致。溫度計並不是當時的新技術，丹尼爾·華倫海特和安德斯·攝爾修斯在近一個世紀前就已經發明瞭溫度計，它們至今仍然用度（華氏度和攝氏度）作為各自的測量單位。不，詹姆斯·焦耳對溫度的痴迷是獨一無二的，因為它深深地吸引了他。最吸引他的是，你可以用各種方式改變物質的溫度，比如一桶水。可以把它放在火上燒，也可以通電，或者快速攪拌，這些活動都會提高水的溫度。測量溫度的變化，是比較用來加熱水的各種方法的一種數學方式。詹姆斯·焦耳已經開發出一種獨特的方法來測量vis viva。
Vis viva是拉丁語中的“活力”，在詹姆斯·焦耳出生前的世紀，這個詞用來描述兩個物體相互碰撞時所產生的力或效應。艾薩克·牛頓將vis viva定義為物體質量與其速度的乘積之和。物體運動的速度越快，質量越大，它所具有的vis viva就越大。戈特弗裡德·威廉·萊布尼茨則認為，速度更為重要，速度越快的物體，其vis viva會呈指數級增長。當這兩個人爭論不休時，是一位女性發現了答案。
她的名字是埃米莉·杜·夏特萊，她是她那一代最著名的科學家之一。埃米莉出生於一個小貴族家庭，嫁給了一位富有的丈夫，並致力於科學事業。她師從當時的一些偉大的數學家，發明了金融衍生品，與著名詩人伏爾泰相愛，並撰寫了幾本物理學教科書。在她自己的著作中，她描述了一個實驗，實驗中，不同質量的鉛球從不同的高度落入厚厚的粘土層中。球在粘土中的深度與球落下的高度呈指數級增長，而與球的質量的增加無關。這表明速度比質量更重要，但這是很難測量的。
想象一下一個炮彈和一顆子彈。炮彈重10公斤，子彈重0.1公斤（質量更小）。如果它們以相同的速度發射，炮彈顯然會造成更大的破壞，因為它質量更大。但是，如果子彈的速度是它的10倍或100倍，它會造成同樣的破壞嗎？粘土實驗表明，子彈只需要以快10倍的速度就能造成相同的破壞。儘管這很難量化，因為測量vis viva非常困難。
1807年，語言學家和物理學家托馬斯·楊，後來利用羅塞塔石碑破譯了埃及象形文字，創造了科學術語能量，源於古希臘語ενέργεια。因此，據說能量 = 質量 × 速度2。這是“能量”一詞第一次以現代意義使用。如今，我們稱之為動能，即由物體的運動或移動引起的能量。這個方程實際上是
其中Ekin 表示 動能，m 表示物體的質量，v 表示它的速度。請注意，公式中有一個常數因子 ½。這種細微的修改是由 伽斯帕爾·古斯塔夫·科里奧利 在 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳 對溫度計著迷的同時提出的，以他命名的 科里奧利效應。
能量究竟是什麼？
[edit | edit source]詹姆斯·焦耳 透過他的實驗表明，這種能量可以透過活動產生的熱量（一桶水的溫度變化）來測量。最初他的實驗涉及電。在 1843 年，他在 英國科學促進會 的一次科學會議上展示，流過電流的水會變熱，導致溫度升高。他想知道是否可以證明動能（來自物體的運動）也會使水變熱。如果屬實，他可以使用觀察到的水溫變化來計算能量的精確測量單位。與此同時，許多人對他的想法持懷疑態度，因為當時的許多科學家認為存在一種物質，一種自排斥的流體或氣體，稱為熱質，它從冷物體移動到暖物體，這一觀點得到了 氧氣 是火必需品的知識的支援。 詹姆斯·焦耳 認為這個想法很愚蠢。他反駁說，導致水升溫的原因是水被電、火或運動“激發”。這些活動會導致水振動。如果他能設計出一個實驗來證明物體的運動會改變水的溫度，他就可以直接比較燃燒的火焰、電和經典的動能的能量。
能量單位焦耳的發現
[edit | edit source].png)
1845 年，他進行了最著名的實驗，將一個重物系在繩子上，繩子拉動一個槳輪，攪拌一個絕緣桶裡的水。一個精確的溫度計測量了重物落下時水溫的微小變化。他證明了所有能量，無論是動能、電能還是化學能（如火），都是等效的。此外，詹姆斯·焦耳總結了他的發現，指出當能量消耗時，會獲得與之完全等量的熱量。如今，能量以 焦耳 (J) 為單位，以紀念他的發現。
其中 J 表示焦耳，kg 表示千克，m 表示米，N 表示牛頓（力的單位），Pa 表示帕斯卡（壓力的單位），W 表示瓦特（電力的單位），s 表示秒。
現代常用的電能單位是千瓦時，您會在電費單上看到這個單位。一千瓦時等於 3.6 兆焦耳（1000 瓦 x 3600 秒 = 360 萬焦耳）。
懷疑者
[edit | edit source]
1847 年，詹姆斯·焦耳在牛津市舉行的英國科學協會年會上展示了他的研究成果，當時最傑出的科學家都參加了會議，包括 邁克爾·法拉第、加布裡埃爾·斯托克斯 和一位名叫 威廉·湯姆森 的年輕科學家。雖然他贏得了邁克爾·法拉第和加布裡埃爾·斯托克斯的支援，但他卻難以贏得這位名叫 湯姆森 的年輕科學家的認可，他對此很著迷，但對這個想法持懷疑態度。詹姆斯·焦耳從科學會議回家後，一直想著如何說服持懷疑態度的威廉·湯姆森。在家裡，他的夏天充滿了忙碌的計劃，他將要與他心愛的未婚妻，一個名叫阿米莉亞·格里姆斯的女孩子結婚。他們計劃了一場浪漫的婚禮和蜜月，目的地是法國阿爾卑斯山，在翻閱法國阿爾卑斯山景點的小冊子時，他偶然發現了一個非常浪漫的瀑布，從山間傾瀉而下，叫做 薩蘭什瀑布。他確信阿米莉亞會喜歡這個浪漫的瀑布，並寫信給威廉·湯姆森，詢問他是否可以和新婚妻子在 法國阿爾卑斯山 見面，他有一些東西想展示給他。
1847 年，這對浪漫的夫婦和持懷疑態度的威廉·湯姆森來到瀑布進行實驗。你可以理解為什麼詹姆斯·焦耳覺得這個瀑布很有趣。水不是簡單地從懸崖上落下，而是在它沿著山坡向下傾瀉的過程中，從岩石和邊緣上翻滾落下，所有這些能量都隨著水的落下而增加熱量，正如詹姆斯·焦耳向持懷疑態度的威廉·湯姆森解釋的那樣，瀑布底部的水溫將比瀑布頂部的水溫高。他用最值得信賴的溫度計測量了底部水池的溫度，然後徒步走到瀑布頂部測量頂部水池的溫度。水噴濺導致了不同的值。詹姆斯·焦耳淋溼了，為了避免掉進水裡，他滑稽地盡其所能說服持懷疑態度的威廉·湯姆森，但數值差異太大，無法確定。儘管如此，這兩個人還是成為了終身的朋友，幾年後，阿米莉亞在分娩時去世，幾天後他唯一的嬰兒女兒也去世了，詹姆斯·焦耳隱退了社會，但一直與威廉·湯姆森保持著通訊。
在薩蘭什瀑布的經歷對威廉·湯姆森產生了重大影響。看著翻滾的瀑布，他想象著水的小粒子變得興奮，在這些能量的作用下振動， 因為它們沿著斜坡反彈。他想象熱量是分子內部的振動能量，隨著熱量的增加，水會變成蒸汽，並以激發的氣體粒子形式飄走，如果冷卻就會結冰，因為振動能量會降低。他想象著溫度的理論極限，一個如此寒冷的點，你無法再冷了，那裡沒有能量，沒有熱量，一個絕對零度。
絕對零度和開氏溫標
[edit | edit source]威廉·湯姆森回到格拉斯哥大學，成為了一位年輕的、魯莽的教授，他被絕對零度的概念所吸引。這是一個如此寒冷的溫度，以至於物質所有的振動能量都將消失。如果在詹姆斯·焦耳的幫助下，將某物冷卻到這個溫度，會發生什麼呢？他計算出這個溫度將是−273.15° 攝氏度。物質不可能低於這個溫度。在他多年的研究和教學中，威廉·湯姆森發明了許多新奇的裝置，最著名的就是幫助鋪設了第一條跨大西洋電報線，並被封為貴族，取名為開爾文勳爵，這個名字來源於格拉斯哥大學附近他家附近的一條河流。如今，科學家使用他提出的−273.15° 攝氏度作為 0° 開爾文，這是一個用來描述高於絕對零度的溫度的計量單位。開爾文經常被科學家使用，而不是攝氏度（攝氏度定義為水的冰點為 0° 攝氏度），因為它定義了所有物質的冰點。此外，開爾文勳爵假設宇宙就像一杯茶，沒有喝，慢慢地冷卻到這個絕對最低的溫度。
此後，科學家們將物質冷卻到了這個超低溫的邊緣（目前的記錄是 1 × 10−10° 開爾文，較大的製冷空間可以達到 0.006° 開爾文）。在這些低溫下，科學家們觀察到了一些不尋常的活動，包括玻色-愛因斯坦凝聚態、超導性和超流性的出現。然而，科學家們仍然在這個寒冷的溫度下探測到原子中微量的振動能量，這是一種將原子結合在一起的振動能量，被稱為零點能，它之前已經被預測過。宇宙的背景溫度約為 2.73° 開爾文，比絕對零度略高，因此在外太空的最冷區域，溫度仍然比絕對零度高几度。
使用這個量表，你自己的太陽系溫度範圍從金星表面的 735° 開爾文到冥王星表面的 33° 開爾文。地球的溫度範圍從 185° 到 331° 開爾文，但大多數時候都在 288° 開爾文左右。地球的月球變化更大，它稀薄的大氣溫度在 100° 到 400° 開爾文之間，使其表面比地球上測量的極端溫度更冷也更熱。
勢能
[edit | edit source]
蘇格蘭愛丁堡的冬天寒冷潮溼。蘇格蘭低地地區的森林供應有限，以至於在 19 世紀初，該市許多居民都用煤炭來取暖。煤炭在壁爐中燃燒，可以為房屋提供熱量，但必須從英格蘭或德國運到該市。隨著城市人口的增長，對煤炭的需求也在不斷增長。一群投資者建議從南部引進當地煤炭。他們修建了一條軌道，用於運送裝滿煤炭的馬車進城。然而，靠近城市的地方有一個陡坡，對於馬匹來說太陡了，無法拉動裝滿煤炭的重物上坡。正是在這條軌道上，他們購買了兩臺大型蒸汽機來拉動馬車上坡。每臺蒸汽機都配備了燃煤爐，用來加熱鍋爐中的水，使水變成蒸汽。蒸汽可以開啟進入氣缸，氣缸會來回滑動，將熱能轉化為機械能。氣缸會轉動滑輪，將裝滿煤炭的馬車拉上斜坡進入城市。作為一名父親負責將煤炭運送到城市的年輕男孩，威廉·蘭金對這些大型蒸汽機的強大動力著迷。很快，馬匹就被新型的蒸汽機車取代，這些機車依靠燃燒煤炭的力量轟鳴前進。他們為乘客提供乘車服務，很快，這條原本用於運輸煤炭的鐵路線成為了人們出行的熱門方式。威廉·蘭金學習了工程學，併成為新興蒸汽動力領域以及蒸汽機車建造和操作領域的頂尖科學家。1850 年，他出版了關於該主題的權威著作，但他最偉大的作品可能是 1853 年出版的一本著作，他在書中描述了能量的傳遞。
詹姆斯·焦耳已經證明了運動可以轉化為熱量，而對蒸汽機車的研究表明，熱量可以轉化為運動。蘭金完全贊同焦耳的能量守恆思想，但他意識到，在蒸汽機車中，能量的傳遞過程中發生了一些獨特的事情。首先，使用燃燒煤炭產生的火焰加熱水，沸騰的水產生蒸汽，但機車司機可以捕捉到這種能量，將其儲存起來，直到閥門開啟，蒸汽機車開始移動。蘭金稱這種捕獲的能量為勢能.
勢能的一個經典例子是，將一個球滾上斜坡。在斜坡的頂部，球獲得了勢能。它可以永遠保持在那裡，但最終，球會釋放這種能量，並滾下斜坡，產生動能。同樣，手錶裡的彈簧可以被緊緊地繞起來，儲存勢能，而一旦彈簧被釋放，手錶就會表現出動能，因為它的錶盤上的指標會移動記錄時間。為平板電腦供電的電池是充電時儲存的勢能，但一旦用於觀看 Netflix 影片，它的動能就會釋放出來。儲存勢能所需的能量等於作為動能釋放的能量。
蘭金稱動能為實際能量，因為它實際上做了功。在他 1853 年著名的論文中，他簡單地陳述道：
“實際能量是一種可測量、可傳遞和可轉換的物質影響，其存在會導致物質傾向於在其一個或多個方面改變其狀態；透過這些變化的發生，實際能量消失，並被勢能取代，勢能由物質狀態變化的量以及產生該變化的趨勢或力（或等效地，克服該變化的阻力）的量共同測量。如果導致勢能發展的變化完全逆轉，那麼隨著勢能的消失，之前消失的實際能量就會重新產生。”
概括一下威廉·蘭金的說法：你輸入裝置的能量數量等於從裝置中輸出的能量數量，即使在勢能儲存和動能釋放之間存在延遲。
此外，蘭金繼續指出：“能量守恆定律已經為人所知，即：宇宙中實際能量和勢能的總和是恆定不變的。”這是一個深刻的論斷，但也是詹姆斯·焦耳所說的一句話，即宇宙中的能量是有限的，是一個固定的數量。能量不能自發產生，也不能自發消失，它只是從一種狀態轉換到另一種狀態，在勢能和動能之間交替轉換。推動蒸汽機車前進的力量來自於埋藏在地下的煤炭儲存的勢能，而煤炭是由遠古植物形成的，這些植物儲存了來自太陽能量的勢能。能量傳遞的每一步都通向宇宙中能量的原始來源——能量並非憑空產生。這些科學定律或規則是透過多年來試圖製造永動機的失敗嘗試驗證的。沒有能量來源就能持續工作的機器是不可能的。
愛因斯坦的補充
[edit | edit source]然而，這個科學定律或規則，即能量不能自發產生，在 1905 年被阿爾伯特·愛因斯坦證明是錯誤的，他首次提出 E=m⋅c2。能量的總量 (E) 等於質量的總量 (m) 乘以光速 (c) 的平方。如果你能改變質量的量，它將產生大量的能量。這個等式將繼續證明一種新的能量來源——核能——其中質量減少或增加，導致自發釋放能量。這個被稱為能量守恆定律的科學規則或定律必須修改為：在質量恆定的孤立系統中，能量不能被創造或毀滅。能量傳遞的研究被稱為熱力學，thermo- 表示熱量的研究，dynamics- 表示運動的研究。
利用能量守恆定律，工程師設想了一種理論裝置，該裝置在勢能和動能之間轉換能量，並且由於熱量而沒有能量損失。在物理學中，這被稱為對稱性。輸入系統的能量與從系統中檢索到的能量相同。然而，一次又一次的實驗未能證明這一點，能量在狀態之間轉換時似乎總是存在微小的能量損失。這種微小的能量損失被稱為熵。熵是表示系統熱能不可用於轉化為機械功的熱力學量，通常被解釋為系統無序度或隨機性的程度。在威廉·蘭肯的世界裡，熵是指透過熱量損失的能量，這阻止了任何系統在能量交換狀態之間完全對稱。熵是隨著時間推移的能量損失，這會增加系統中的無序性。然而，能量守恆定律禁止能量的破壞。愛因斯坦發現質量的變化可以釋放自發的能量，這表明可能存在釋放自發能量破壞的變化。
1915 年，在 哥廷根大學，兩位教授正在努力調和 能量守恆定律 和愛因斯坦的新 相對論，當他們邀請一位最傑出的數學家來幫助他們時。她的名字是 埃米·諾特。埃米是附近 埃爾蘭根大學 一位數學教授的女兒，她繼承了父親的職位，儘管作為一名女性，她沒有得到為學生上課的報酬。她是一位受歡迎的、有些古怪的老師，學生要麼崇拜她，要麼對她感到困惑。當她被展示了這個問題時，她意識到能量守恆定律描述了勢能和動能之間的對稱關係，並且可以透過一種稱為對稱性的高階代數技術與狹義相對論相協調——當兩個數學方程導致相同但對稱的關係時，將它們翻轉。這就像看著一面鏡子來描述鏡子中反映的房間裡存在的東西一樣。這是一個非凡的理解，它導致了對能量守恆的深刻洞察，直接導致了今天 量子物理學 的誕生。
諾特定理 對您理解的重要意義在於熵與系統的速度和時間直接相關。能量在系統中損失是由於系統在宇宙中的淨速度，或者同樣是能量轉換期間經過的時間。在地球上，地球的運動（以時間或速度衡量）是勢能和動能轉換過程中能量微量損失的原因。當你考慮以光速行進的能量系統時，這種洞察力就變得令人著迷。接近光速時，時間會減慢直到停止，此時勢能和動能的轉化是完全對稱的，因此沒有熵。這樣的洞察力表明，光本身是能量的一種形式，只要它以光速傳播，就不會觀察到任何熵（熱量損失）。當然，光會減慢，因為它會撞擊任何阻力，例如地球大氣中的氣體粒子或晴朗天氣下你臉上的固體物質。此時，熱量會釋放出來。以光速穿過外太空近乎真空狀態的光，可以從宇宙另一端的星系傳播到黑暗星空夜晚你眼睛的難以置信的遙遠距離。正因為我們對埃米·諾特的數學方程有了深刻的認識，我們才能在時間和速度的概念中解釋熵，正如我們在地球上所觀察到的那樣。
您可以將您所學到的關於能量和能量交換本質的知識總結為四條規則，即熱力學定律。
- 定律 0
- 如果兩個熱力學系統都與第三個系統處於熱平衡，那麼它們彼此之間也處於熱平衡。這基本上說明我們可以使用溫度計測量能量作為熱量，當它們在系統內達到平衡時。
- 定律 1
- 能量守恆定律，該定律指出在質量恆定的孤立系統中，能量既不能被創造也不能被毀滅。
- 定律 2
- 熵定律，對於以低於光速傳播的孤立系統中的能量，當勢能和動能之間發生能量轉移時，由於系統的速度或時間差，應用於後續轉移的能量可用性會略有損失。因此，系統會隨著時間的推移而變得更加無序和混亂。
- 定律 3
- 絕對零度定律：當系統的溫度接近絕對零度（−273.15°C，0° K）時，熵的值會趨於最小。
在現代社會，能量使用變得越來越重要，因為社會發明瞭新的裝置，將能量轉化為功，無論是熱量形式（改變你家的溫度）、運動形式（用汽車把你送到學校）還是電能形式（在電腦上顯示這些文字），以及將能量儲存為勢能以備後用（例如，為手機充電以備今晚給朋友發簡訊）。熱力學定律定義了能量如何在狀態之間移動，以及能量系統如何透過熵隨著時間推移變得更加無序。
| 上一頁 | 當前 | 下一頁 |
|---|---|---|