能量定律与机械能守恒定律

热力学第一、第二定律是适用于人类社会所有领域的科学规律，从物理学、化学、生物学到经济学、社会学，人类社会的所有活动都受到它们支配。我们所处的世界正迅速变化，变得越来越复杂，越来越无序，特别是科学技术高速发展的近一个世纪里，臭氧枯竭、全球变暖、污染严重、能源紧张、经济混乱……，尽管我们一直在治理和控制，但生态环境仍处在危机当中，尽管我们不计投入地试图根治病毒、细菌，但它们仍侵袭着人类，……。面对众多困惑我们或许能从热力学原理中找到解释。

热力学定律最初是在研究热和热能的过程中发现的，因此被称为热力学定律；然而，它们也是对人类非常重要的、具有普遍意义的自然定律。在今天变幻莫测的世界里，许多技术、理论、意识形态、时尚和信息都迅速过期，而热力学定律却长盛不衰，它不仅经受了时间的检验，而且随着越来越多的实证数据的积累而越来越有说服力。

第一定律是能量守恒定律，孤立系统能量的总量是恒定不变的，能量既不能创造也不能被消灭，只能够从一种形式转换成另一种形式。该定律是在19世纪40年代热功当量确定之后才建立的，在这之前，不少人沉迷于一种神秘机械——永动机的制造，人们在生产实践中曾幻想制造一种机器，使系统能在不断地经历状态变化后仍回到初始状态，同时在这过程中无需外界能量的供给而能持续对外做功，这种永动机被称为第一类永动机。从哥特时代起，这类永动机的设计方案越来越多，有采用“螺旋汲水器”的，有利用轮子的惯性、水的浮力或毛细作用的，也有利用同性磁极之间排斥作用的。宫廷里聚集了形形色色的企图以这种虚幻的发明来扬名的设计师，这一任务就像海市蜃楼一样吸引着他们。在人们尚未掌握到自然界的基本规律时，这种天真而又美好的想法吸引着许多有杰出创造才能的人付出了大量的智慧和劳动；但是没有一部永动机被实际制造出来，也没有一个永动机的设计方案能够经受住科学的检验。通过不断的实践和尝试，人们逐渐认识到，任何机器对外界做功，都要消耗能量，不消耗能量，机器是无法做功的。

在认识能量的过程中，一项重大突破就是发现热也是能量的一种形式，与其他形式的能量一样，热能可以做功，而做功也可以产生热能。热力学第一定律是能量守恒和转换定律在热力学上的具体表现，它指出热是物质运动的一种形式，在涉及热能的过程中，系统的能量也是守恒的。由于热力学系统十分广泛，可以是物理的、化学的、生物的，或其他任意一种系统，第一定律对事物的种类没有限制，远远超出了牛顿物理学的范畴。每一事物都可以是一个热力学系统，从一个保温瓶到人体、房屋、工厂、城市、森林、地球乃至整个宇宙，就是在黑洞附近、速度接近光速时，以及对亚原子粒子，它也成立。第一定律因其可以统一一切的威力，被称为自然科学的最伟大概括，故称之为自然第一定律。恩格斯把它和达尔文的进化论及细胞学说并列为三大自然发现。

热力学第一定律给我们一个什么是我们能做，什么是我们不能做的框架，发现自然定律的目的之一就是帮助我们排除不可能性，最大限度保存我们的资源，避免做无用功。热力学第一定律否认了能量的无中生有，所以不需要动力和燃料就能做功的永动机就成了天方夜谭式的设想，永动机神话的破灭，不仅有利于人们正确的认识科学，也有利于人们正确的认识世界。

热机是利用燃料燃烧产生的热能来做功的机器，是人类最伟大的发明之一。现代化的交通运输工具都靠它提供动力，各种车辆、船只、飞行器（涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机、火箭发动机）都是利用热机工作的，离开热机我们寸步难行。历史上，蒸汽机对近代科学和技术产生了巨大贡献，导致了第一次工业革命的兴起，但蒸汽机有一个极大的困难，就是效率太低，从1782年瓦特改造蒸汽机以后的80年间，其效率仅从3％提高到8％，热力学理论正是18、19世纪人们在研究热机能量转换及其效率的过程中总结发展起来的。

所谓热机的效率，就是指吸收来的热量有多少转换成了有用的功。为提高热机效率，不少科学家和工程师将探索的目光投向理论，开始研究一般热机的效率，探讨提高效率的途径。1824年，年仅28岁的法国工程师卡诺以他出众的大胆设想和敏锐思维，抓住了其中真正有意义的特征，他发现一切热机在做功时不仅以消耗热量为代价，还有热量流向冷的物体，没有较低温度的冷的物体，热量就不能被利用，即单独提供热不足以给出推动力，正如没有落差水力就无法利用一样。

卡诺设想了一种反映了一切热机共性的理想热机，工作物质只与两个恒温热源接触，且无任何散热、漏气等因素存在。卡诺采取最普遍的形式进行研究的方法充分体现了热力学的精髓，他的研究成果包括卡诺循环的提出和卡诺定理的证明，具有极重要的意义。它一方面解决了热机效率的极限问题，指出了提高热机效率的方向；另一方面它指出热机效率不可能达到100％，为热力学第二定律的建立奠定了基础。

在第一类永动机被否定之后，人们开始考虑热能转化为功的效率问题。能否制造这样的热机，它可以将从一个热源吸取的热全部用于对外做功，这并不违反能量转化和守恒原理。直至19世纪中叶，人们还以为只要在设计创新上下功夫，热机就可以获得100％的效率转换，这种热机称为第二类永动机。卡诺定理改变了科学家和工程师的看法，他对热机能达到的目标设立了一个限度。1850年，开尔文和克劳修斯从能量转换的角度描述了卡诺循环，提出了热力学第二定律，任何使用单一热源的热机都不可能制造出来，这意味着第二类永动机的梦想同样不可能实现。

热力学第二定律具有远比开尔文和克劳修斯表述广泛得多的意义，这条定律明确地说明：要使自然界任何已发生的过程完全逆转是不可能的。引入熵的概念来说明第二定律就是熵增加原理，孤立系统的熵值永远是增加的。物理学家把熵作为一个量度热力学系统无序状态的物理量，熵增加即指孤立系统的一切自发过程都是向着微观状态更无序的方向发展，要使系统回复到原有的有序状态是不可能的，除非外界对它做功。卡诺的研究指出能量转换做功的同时能量的品质也降低了，成为再也无法利用的无效能量，水从高处下落驱动水轮机转换为对外做功，而一旦越过水坝流入湖泊，失去下落的高度就连最小的轮子也无法带动，所以，熵的增加就意味着有效能量的减少。自然界发生的任意过程都伴随着一定的能量被转化成了不能再利用的无效能量，如热机工作时向环境排放的热量，而这些被转化成的无效能量构成了我们所说的污染，也就是说，耗散了的能量就是污染。根据热力学第二定律，能量只会沿着一个方向即耗散的方向转化，这就意味着人类在消耗能源利用其做功的同时，不可避免地产生大量无效能量污染自己赖以生存的星球。如果用经济学术语来说，第二定律可看作自然界的一个税务员，它索要的税款取自于我们人类的活动。人类的活动是要付出代价的，它们导致了热力学系统无序状态即熵的增加，第二定律就是通过税收，控制和指挥着宇宙所有运动过程进行的方式和途径。因此，第二定律在所有自然定律中享有最高地位，该定律适用于所有自然过程，不管是物理的、化学的、生物的、地质的还是其他领域的过程，所以被称为自然第二定律。

热力学第一定律告诉我们能量是守恒的，给我们的世界观是等值交换、物质不灭、无中不能生有。而热力学第二定律告诉我们熵值永不减小，给我们的世界观是不可逆转，一切趋于无序发展，可用资源向不可用的伪资源发展。第二定律深化了人类对自然和社会的认识，它给人类设定了发展的限度和条件，引领着世界前进的方向。掌握了热力学定律的精髓，我们就能弄清所面临的从科学到经济再到环境和社会的日益复杂的全球性问题，它帮助我们了解自然界的运转过程，使我们能够尊重自然、保护自然并与之和谐相处。