热力学和电动力学共同塑造了当代世界

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热力学和电动力学是现代科技的两大支柱，它们的发展深刻影响了人类社会的进步。从蒸汽机的发明到内燃机的改进，从温度测量到能量转化效率的提升，热力学的发展历程充满了人类对自然规律的探索和创新。本文将带你走进热力学的世界，了解这一学科的发展历程和重要理论。

人类的生产需求和探索未知事物的欲望是科学技术发展的动力。
热现象是人类最早广泛接触到的自然现象之一。18世纪初，对热机的巨大需求，使热学得到了积极的发展。在这之前，人们对热只有一些粗略的概念。
欲善其事，先利其器。
温度测量设备与标准的完善是热学发展的前提。1714年，华伦海特改良了水银温度计并确定华氏温标以后，热学走上了实验科学的道路。
随着实验的进展，一种简单解释实验结果的“热质说”理论就形成了，即热是一种名叫热质的流质。

与这一理论对立的学说是，热是一种运动的表现形式。最初提出热量与功相当的说法，是迈耶医生，他在1842年发表论文，提出能量守恒的理论，认为热是能量的一种形式，可以与机械能相互转化，并算出热的功当量。随后 ，在焦耳、亥姆霍兹等的推动下，学界公认能量守恒为自然界的规律，热力学第一定律确立。

卡诺于1824年已提出了卡诺定理与卡诺循环，指出热机必须工作于不同温度的热源之间，有温度差的地方才能产生动力，并提出了热机最高效率的概念，其在本质上已阐明了热力学第二定律的基本内容。（工程热力学 第4版，沈维道童钧耕编）
1848年，开尔文根据卡诺定理，制定了绝对温标，并从热能转化为机械能的角度提出了热力学第二定律的开氏说法：不可能从单一热源吸热，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。
克劳修斯则提出了克劳修斯不等式与熵增原理。并根据卡诺定理，在1850年，从热量传递方向性的角度提出了热力学第二定律的克氏说法：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。（热力学 第2版，王竹溪著）
吉布斯对克劳修斯提出的熵十分重视，并由熵提出了他命名的“流体热力学的基本方程”。（吉布斯和他对科学的贡献，杨建邺著）
吉布斯还证明，对于同一工质的两个不同的相α和β组成的孤立系，当系统处于平衡时，其两相需具有相同的温度、压力和化学势。
1912年，能斯特又补充了一个关于低温现象的定律，称为热力学第三定律。描述为：绝对温度零开不可能达到。
压力与温度同为强度量，且都是描述工质性质的重要参数。与“有温度差的地方才能产生动力”相对应的说法：“有压力差的地方才能产生动力”也是同样成立的。在不平衡条件下，自然过程表现出的方向性或不可逆性中，如果说有限温差传热体现的是因温度差而造成的不可逆性，那么工质的自由膨胀则体现着因压力差而造成的不可逆性。
热功转换的设备都要通过在设备内工质状态变化来实现，工程热力学用极大的篇幅去研究工质的性质，离开工质性质的研究，热力学就失去了存在的基础。（高等工程热力学，陈则韶编著）
在压力测量与标准方面，1643年，托里拆利首先测定了标准的大气压力值为760毫米汞柱，奠定了压力测量的基础。
压力对能量转化效率的提升，则更多地体现在内燃机的开发过程中。1838年，巴讷特提出在点火之前压缩混合气有利于提高热效率的观点，并开始研究压缩式发动机，但未能实用化。1861年，密理蒽等发表学术论文，强调了压缩过程的效果。

1862年德罗夏立志要“站在瓦特的肩膀上”，彻底改正内燃机的缺点，并指出：高效率的内燃机必须具备两个必要条件：第一是点火前高压，第二是燃料燃烧后迅速膨胀，达到最大膨胀比。德罗夏提出了提高内燃机热效率的具体设想，把活塞运动分成四个冲程：即由进气、压缩、燃烧做功、排气四个冲程构成的工作循环。
随后，奥拓对这个方案反复研究，并认定：“这是一个天才的设想”，并于1862年制造出一台四冲程样机（但实用化过程中遇到了点火装置方面的困难）。随后，进过改进，于1876年创建由四个冲程构成一个工作循环的奥拓循环。发动机最初的压缩比为2.5左右，热效率仅为10%~12%。
内燃机另一代表—柴油机，则由狄塞尔针对汽油机热效率低等问题，从热力学角度，企图“实现卡诺循环的梦想”中发明的。从理论到现实发动机的开发研究过程中，狄塞尔通过实际发动机中存在的损失，认识到卡诺循环的热效率仅仅是理论上的，因为它只取决于温度，但对实际发动机而言，并非最高温度，而是最高压力起决定性作用。（发动机原理 第2版，林学东编著）
工程热力学为热力学的重要分支，目前，摆在该学科比较关键的问题之一是能量转化效率的提升，减少能量的浪费。然而，除了已经建立了一百余年的热力学第一定律和第二定律外，目前的热力学理论对解决热能高效转化与利用，还缺乏更为有效的指导。
密立根曾说：“科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验，有时候一条腿走在前面，有时候另一条腿走在前面，但只有使用两条腿，才能前进”。如果热力学的基础理论停滞不前，热力学的实验与工程应用将会受到极大的约束。
而在电动力学中，麦克斯韦用优美、简洁的数学语言—麦克斯韦方程组，描绘了什么是电、什么是磁、磁场如何产生电场、电场如何产生磁场。电动力学是一个最优美、完整、成功的理论，是所有理论物理学家们想尽力模仿的理论典范。
热力学与电动力学同属经典力学的范畴，对现有的热力学理论进行整合与拓展，也应该能找到这样一组热力学方程组，对指导工程热力学中热能转化效率的提升，起到较大的促进作用。
如果说电动力学是研究电与磁之间的转化关系，那么工程热力学则可概括为研究热与功之间的转化关系。下面对总结出的热力学方程组及其意义做一些说明。
上面第一个方程是描述气体体积功的做功规律，可由牛顿运动定律推导出。第二个方程是描述影响热量传递的因素与规律，即傅里叶传热定律。第三个方程是描述热量与气体体积功和工质内能在数量上的转化与守恒关系，即热力学第一定律。第四个方程是描述在可逆过程中，热量㶲与气体体积功㶲和工质㶲（dE）在品位上的转化与守恒关系。
对于前面三个方程，可在工程热力学与传热学书本中找到。而对于第四个方程，若省去方程右边后半部分，该方程可近似为卡诺定理，只是符号相反。
热能Q具有品位，其品位受热源温度T与环境温度T0的影响。热能可以转化为工质对外输出的机械能，但是，往往不能直接进行转化，而是需要先借助其他流体工质（如蒸汽、空气、燃气、有机工质等）加以储存并转化为工质的㶲E，然后利用流体工质的压力与外界环境的压力差p-p0，才能对外直接输出。工质的体积功㶲为工质㶲中可直接转化为对外输出机械能的最大比例。而如果工质与外界不存在压力差，即使工质的温度再高，工质也不具备直接对外输出机械能的能力。该方程对提升热能转化为机械能的效率做了进一步的指导。（对该方程的具体证明可参考论文《有压气体做功能力热力学分析》，吴腾马，知网可查）。
热力学作为一门学科，不能只停留在实践经验的认识上，而要把感性经验上升为抽象的概念，总结出规律，并借用有关的数学知识进行对称性拓展与严密的逻辑推理，导出对热功转换实践有指导意义的结论，可表示为：
温度和压力都是描述工质性质的重要参数，具有同等重要的位置。但严格意义上讲，目前的热力学第二定律和热力学第三定律，只是在描述热（温度）相关的规律，并没有对体积功（压力）相关的规律进行总结。结合前人经验，如果要总结描述工质体积功特征的规律（热力学第四定律）和压力极限的规律（热力学第五定律），是否可表示为：

不可能从单一工质源输出体积功，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。

绝对压力零帕不可能达到。
正如《热力学史——能量与熵的学说》作者因戈·穆勒所言：“从事自然科学研究是一个人能从事的最伟大、最有价值的冒险。即使只是一个微小的自然规律，也会给第一个揭示它的人带来极大的满足，相比之下，其他的喜悦都显得索然无味。遗憾的是，大多数人缺乏数学知识又不愿意学习数学，因而无法参与到自然科学的研究中，这是一种极大的缺失。”
热(动)力学和电动力学共同塑造了当代世界。通过**《热力学史——能量与熵的学说》，该书作者试图在尽量不涉及数学的情况下描述两门学科的发展历史**，从而激发读者对科学的兴趣。如果将销量作为衡量一本书成功与否的标准，那么这种写作方式在一定程度上是成功的。
“
希望本书的中译本能够激发读者对科学的兴趣。对于第一次阅读本书的新读者，希望你们能够领略先驱在科学研究的过程中是如何将看似荒唐的猜想转化为精妙的数学表达，并从中收获喜悦。
因戈·穆勒
德国沃尔夫沙根
2021年4月