坤鹏论：为什么能量守恒定律是自然界普遍的基本定律？
很多知识，之所以不懂，是因为我们没有学人家的语言，另外，很多时候，不是你看不懂，而是你没耐心！——坤鹏论
不管是复杂性科学的混沌，还是《从自然界的未解之谜到流动里面的人生哲理》所说的湍流等概念，它们背后都暗含着一个现象——从有序到无序、混乱。
这个现象不得不让人想起了——熵。
有人说，人文知识分子如果不懂熵，就好像科学家未读过莎士比亚一样令人遗憾。
熵，是一个极其重要的物理量，但却又以其难懂闻名于世。
英国作家史诺还曾这样说道：“这个定律（热力学第二定律）是一个最深刻、最普遍的定律。它有着自身忧郁的美，像所有重要的科学定律一样，引起人们的崇敬之情。”
清华大学科学史系首席主任吴国盛表示：“如果物理学只能留一条定律，我会留熵增定律。”
坤鹏论在较为系统地学习了其入门知识后，也深刻地体会到了，为什么很多人对熵增定律推崇备至，甚至有种顿悟的畅快。
因为，它已经突破了热力学界限，揭示了宇宙级的规律。
同时，再回头看自己以前文章中对熵的介绍，真的太浅薄了，羞愧难当！
所以，这次的系统学习和分享，也是坤鹏论的补课。
为了能够学的、思考的、写的透彻、深入些，本周的文章将对这个话题展开拆成几篇来分享。
一、关于热力学你必须懂的几个名词
就像你不会某种外语，就算使用该语言的人说，“你好！你是谁？你怎么了？再见！”这些最简单的话，你也听不懂。
其中的道理很简单，你不知道人家的语言符号组合规律，俗称不懂人家的语言。
语言，不仅指各个国家、各个民族所使用的交流符号，还包括各种学科的专用语言。
因此，在开始下面的内容前，坤鹏论先普遍几个与文章相关的热力学基础名词。
懂了，起码你能大致听明白热力学行话在讲什么。
当然，这部分，也可以先不读，等后面遇到了，再回来对照理解。
读第一遍不理解，别急，慢慢地多读几遍，基本都能明白。
很多时候，不是你看不懂，而是你没耐心！
再加上人性中“错都是别人”的认识主导，慢慢就变成了不学无术了。
1.系统
它指的是热力学研究的对象。
还被称为热力系、热力系统。
热力学的系统是由大量微观粒子组成，并与其周围环境以任意方式相互作用着的宏观客体。
系统，不仅是宏观的，而且是有限的。
2.界面与环境（外界）
在热力学中，系统与环境之间的界限称为分界面。
分界可以是真实的或虚拟的 ，固定的或移动的。
与系统通过分界相隔开，并与系统密切相关的周围部分，一般称之为环境，或者系统的外界，或直接简称为外界。
3.热
也就是热量，由于系统与环境之间的温度差而传递的能量。
4.功
如果一个物体受到力的作用，并在力的方向上发生了一段位移，物理学就说这个力对物体做了功。
功，也叫机械功。
功，是物理学中力对物体作用的空间积累的物理量。
功，是力和力在力的方向上通过位移的乘积，也就是其大小等于力与其作用点位移的乘积。
功，是能量转化的度量。
国际单位为焦耳。
功，这个词是法国数学家贾斯帕-古斯塔夫·科里奥利创造的。
除热以外而传递的能量统称为功，具体有膨胀功、技术功、流动功、体积功、非体积功等很多概念。
5.做功和热传递
它们的实质分别是能量的转化和能量的转移。
“功”字拆开，就是两个字：”工＋力”。
所以，在力学中，可以把做功的过程，理解成力在工作的过程。
比如：从能量的角度来看，手机的工作过程，就是将电能转化为其他形式能量的过程。
所以，从能量的角度来看，力的工作过程，就是使物体上不同形式的能量发生转化的过程。
在力做功的过程中，功与能量转化间的数量关系是：力所做的功的数量＝能量转化的数量。
而热传递是热能由一个物体转移到另一个物体。
6.工质
工作物质的简写。
实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质。
依靠它在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得功。
而做功通过工质才能传递热。
7.绝热
一个物体的边界如果没有任何形式的传热方式，则被定义为绝热。
绝热，是在和环境之间没有热量交换或者没有质量交换的情况下，一个系统的状态的变化。
绝热，是保温与保冷的统称。
绝热过程，则指任一气体与外界无热量交换时的状态变化过程。
8.热机
它指各种利用内能做功的机械。
也就是，将燃料的化学能，转化成内能，再转化成机械能的机器动力机械。
比如：蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机。
热机通常以气体作为工质，利用气体受热膨胀对外做功。
让我们以蒸汽机为例说明一下：
第一步：锅炉中的水受到高温热能加热，变为蒸汽；
第二步：蒸汽进入到过热器中继续加热，变为高温高压的蒸汽；
第三步：高温高压的蒸汽进入汽缸中绝热膨胀，推动活塞对外做功；
第四步：做功之后出来的低压蒸汽进入冷凝器，向低温热源放热，冷凝为水；
第五步：水重新进入锅炉加热，周而复始。
热能的来源主要有燃料燃烧产生的热能、原子能、太阳能和地热等。
热机在人类生活中发挥着重要的作用。
现代化的交通运输工具都靠它提供动力。
9.平衡态
它指在没有外界影响的条件下，热力学系统的各部分宏观性质长时间里不发生变化的状态。
这里所说的没有外界影响，是指系统与外界没有相互作用，既无物质交换，又无能量传递（做功和传热），也就是系统是孤立系统。
这里有个理解的重点就是，物理中平衡和稳定是两个不同的概念，在某些系统中两者可以并存不悖。
下面会提到，当熵逐渐增大，虽然系统变得越来越混乱无序，但是这种结构却更稳定，当熵到极大值后，系统就处在了平衡态。
10.内能
现在叫热力学能，过去长期叫内能。
它的数学符号为U，是系统内各种形式能量的总和。
比如：系统中分子的动能（分子运动包括平动、转动和振动三种形式）、分子内电子运动的能量、原子核内的能量分子间作用能等，难以胜数。
随人类认识的深化，不断发现新的能量形式。
但有一点是肯定的，任何系统在一定状态下内能是一定的，因而热力学能是状态函数。
二、永动机1.0
很久很久以前，人们为了满足生产对于动力日益增多的要求，就开始试图制造所谓的永动机。
它不需要任何动力和燃料，却能永久地运行下去。
相信我们小时候也曾做过相同的梦想吧。
如果真有永动机，人类除了吃喝拉撒需要自己付出气力外，其他事情都可以交给它了。
科学家、发明家往往都是梦想家，他们很快就掀起了设计永动机的热潮，并大多利用力矩、浮力与水力等原理。
起码在1775年法国科学院宣布不再接受审查关于永动机的发明前，许多人热衷此道。
阿基米德原理、毛细现象、重力的作用等统统搬出来助阵，一架架永动机模型令人心潮澎湃。
就连达·芬奇、焦耳等大师都曾一度沉迷永动机。
15世纪90年代，达·芬奇用了28页笔记研究制造永动机的可能性。
“每一种运动都试图保持原有的状态，或者，只要物体启动时所获得的冲力保持不变，每个运动物体都将一直运动下去。”
他认为，如果能消除阻碍物体运动的所有外力，那么物体有可能处于永动状态。
他对水力永动机尤其感兴趣。
在一个设计中，达·芬奇设想用水流转动一种被称作阿基米德螺旋泵的螺旋管。
这种螺旋管在转动时可以将水向上输送，然后水流下去的时候又会转动螺旋管。
不过，他对一个问题产生了质疑：水流下去的时候，能否驱动螺旋泵向上输送足够多的水，让这个循环一直进行下去呢？
最后，他得出了既明确又正确的结论，这绝无可能。
“流下去的水永远不可能从它最初的水位提升起与自身重量相等的水。”
但是，由此达·芬奇发现了摩擦力，意识到阻碍永动的原因是摩擦，一个系统和外界摩擦时，会不可避免地损失动量。
他还发现了摩擦力的三个决定因素之间的关系：物体的重量、斜面的平滑或粗糙程度，以及斜面的坡度。
这些都属于人类重要的科学发现，但是，达·芬奇从未发表过它们。
大约200年后，法国的科学仪器制造者纪尧姆·阿蒙东才再次发现了这些定律。
总的来说，历史已经告诉我们，所有永动机的实践都以失败告终，不管是多大的科技大腕。
三、热力学的先行者和奠基人
人类科学大部分是拾级而上，长江后浪推前浪，后人踩着前人的肩膀前进，科学技术更是如此。
但是，人类世界，第一个点燃火炬的先行者，总是籍籍无名，或者没有得到公正的评价。
“古来圣贤皆寂寞，唯有饮者留其名。”
这在坤鹏论前面讲过的哲学界、科学界自古以来都是个普遍现象。
就像人们总是追捧英雄，却忘记了更伟大的应该是，那些不让意外发生的默默无闻的守护者。
热力学同样也有这样一个人，他的名字叫萨迪·卡诺，法国工程师。
蒸汽机使人类摆脱了以人力和畜力为主要动力的时代，进入到火热的工业社会。
19世纪初，工业革命前期，蒸汽机几乎成为主要的动力来源，它从英伦三岛，很快普及到了西欧和北美。
但是，当时蒸汽机的使用效率比较低，一般只能利用能量的5%~8%，再加上其笨重等弱点，阻碍了广泛应用。
通过前面的学习，工业革命是基于试错法和一心想改进工厂生产力及利润的熟练工匠，在实践基础上的经验性发展。
于是，科学家和工程师开始将探索的目光投向了理论，试图从根本上研究蒸汽机的效率。
也因此，人类科学中诞生了热力学。
1824年，卡诺才28岁，在效率这个问题上，他一下子抓住了事物的本质，写了《关于火的动力及专门产生这种动力的机器的见解》小册子。
他提出，热机中，不仅以消耗能量为代价，也与热量从热的物体向冷的物体的传递有关。
所以，没有冷的物体，热量就不能被利用：
“单独提供热不足以给出推动力，必须还要有冷。没有冷，热将是无用的。”
这辩证法，刚刚的，实践出真知呀！
就像没有落差，水力无法利用一样。
卡诺敏锐地注意到，一个蒸汽机所产生的机械功，在原则上有赖于锅炉和冷凝器之间的温度差。
他用科技抽象的方法，建立了理想化的模型——“卡诺热机”。
这个“卡诺热机”原则上提出了提高热机效率的正确途径：提高高低温热源间的温度差，并使工作过程尽可能接近于可逆（可逆循环）热机。
可逆循环，用现代的术语来说，是熵保持不变的循环。
这个老厉害了！
现在不懂？
没关系，等你看完这个系列文章后就会明白，卡诺有多牛。
所以，后世称之为“卡诺循环”。
尤其重要的是，“卡诺定理”清晰地指出了：“热动力与用来产生它的工作物质无关，它的量唯一地，由在它们之间产生效力的物体（热源）的温度来确定，最后还与热质的输运量有关。”
也就是说，热机的热效率与工作物质无关，仅取决于两个热源的温度差。
注：卡诺后来受到了菲涅耳的影响，菲涅耳认为，光和热是一组相似的现象，既然光是物质粒子振动的结果，那么热也应当是物质粒子振动的结果，是物质的一种运动形式，而不是什么虚无缥缈没有质量的东西。此后，他抛弃了热质学说。
这已经开始隐隐显现了自然界规律的热力学定律。
不幸的是，1832年6月，卡诺得了猩红热，不久后转为脑炎，他的身体受了致命的打击。
更不幸的是，后来他又染上了流行性霍乱，于同年8月24日离开人间。
当时，他年仅36岁。
这就叫天妒英才吧！
也因为是霍乱，所以许多文稿和他的遗体一起埋葬。
直到1878年，其部分遗稿才被发表。
这些遗稿充分证明了，卡诺已经认识到了热与功具有当量关系，计算出热功当量为3.7焦耳/卡，比焦耳的工作超前将近20年。
这等于他已经走到了能量守恒定律的边缘。
如果上天再给他些时间，他极可能成为能量守恒定律（热力学第一定律）以及后来的热力学第二定律的共同缔造者。
甚至会让这些定律提早许多年被发现。
为什么这么说？
热与功具有当量关系，这个就是热力学第一定律的核心。
而热机的热效率仅取决于两个热源的温度差，这则是热力学第二定律的核心。
并且，热力学第二定律的两位缔造者——克劳修斯和开尔文，确实都受到了卡诺的启发。
在卡诺去世两年后，他的小册子才获得了第一个认真的读者——克拉珀龙。
他是巴黎理工学院的毕业生，只比卡诺低几个年级。
1834年，他在学院出版的杂志上发表了题为《论热的动力》的论文，用P－V曲线翻译了卡诺循环。
遗憾的是，同样未引起学术界的注意。
时间一晃到了1844年，英国青年物理学家开尔文在法国学习时，偶尔读到克拉珀龙的文章，才知道有卡诺的热机理论。
他如获至宝，欣喜万分，为此，找遍了法国各家图书馆和书店，都无法找到卡诺的1824年论著。
后来，他在1848年发表了论文，标题就为《建立在卡诺热动力理论基础上的绝对温标》，主要根据克拉珀龙介绍的卡诺理论来写的。
1849年，开尔文终于弄到一本他盼望已久的卡诺著作。
再后来，德国物理学家克劳修斯又通过克拉珀龙和开尔文的论文熟悉了卡诺理论。
这些事实表明，在1824年至1878年间，卡诺的热机理论一直没有得到广泛传播。
卡诺生前的好友罗贝林在法国《百科评论》杂志上曾经这样写道：“卡诺孤独地生活、凄凉地死去，他的著作无人阅读，无人承认。”
卡诺理论为热机的改进提供了必要的理论基础，比如：
首先，既然热机效率和工作物质没有关系，只取决于两个热源的温度差。
两个热源中，低温热源温度相当于环境温度，这个改变不易，那么，关键就是提高高温热源的温度。
其次，绝热系统中，工作物质的温度降低是其体积膨胀引起的，采用增大缸体或提高饱满度的方法就可以实现。
这导致了后来二级膨胀式蒸汽机的发明和改进，其各项性能指标都取得了显著效应。
再次，还可以放弃蒸汽作为工作物质，尽可能采取接近于理想的气体……
空气最接近理想气体，如果用空气作工作物质，冷却速度一定比水蒸气快。
卡诺预言了以空气为工作物质的热机，以及将燃气与空气混合物压缩打火的内燃机。
1852年，瑞典发明家埃里克森进一步将卡诺的预言付诸于实践，实现了高效蒸汽机：热空气推动活塞的新型热机。
而卡诺所预言的内燃机，又是戴姆勒于1885年制成的汽油机，以及狄赛尔于1897年制成的柴油机的先导。
20世纪，蒸汽机的效率虽然已经提高到了15%，但汽油内燃机的效率早已达到了40%。
而利用燃烧高热燃料直接驱动的燃气涡轮机，燃气温度高达1400℃，效率接近50%。
四、能量守恒定律＝热力学第一定律
坤鹏论在《牛！他既是近代哲学之父 又是近代科学的始祖》中讲过，十六世纪的笛卡尔早早就提出了：
物质的运动不可能来自物质本身，所以，这个世界上有着第一推动者，他就是上帝。
上帝赋予物质世界的运动的总量会永远保持平衡。
这是人类对能量守恒定律的首次预言！
一直到了十九世纪，在蒸汽机进一步发展的前提下，科学家们对热与机械相互转化着了迷。
他们，通过热力学的研究得出了“热力学第一定律”，也就是能量守恒定律。
在这些科学家中，最著名的有三位——迈尔、焦耳和亥姆霍兹。
迈尔，被称为天才的发现者，他并没有经过物理学的正规训练，其实是一位自然博物学家。
但是，他思维敏捷、视野广阔、善于总结。
正是他，1824年，具体地论述了机械能、热能、化学能、电磁能、辐射能之间的相互转化。
正是他，最早勾画出了能量守恒定律的主要轮廓。
焦耳，一位孜孜不倦的实验物理学家，1850年，通过精确测量热功当量，奠定了能量守恒定律的实验基础，证明了该定律的正确性。
亥姆霍兹，生物物理学家、数学家，一生研究领域广泛，除了物理，在生理光学和声学、数学、哲学等方面都作出过重大贡献。
正是他给出了能量守恒定律明确的数学表述。
而他是从永动机不可能实现的这个事实入手，通过研究发现能量守恒定律。
1847年，他在德国物理学会发表了关于力的守恒演讲，第一次以数学方式提出能量守恒定律。
在该演讲中，他还提出了一切科学都可以归结到力学。
他讨论了已知的力学的、热学的、电学的、化学的各种科学成果，严谨地论证了各种运动中能量守恒定律。
这次讲演内容后来写成被专著《力之守恒》出版。
正是以他们为代表的科学家，在1842年~1847年确定了能量守恒定律。
能量守恒定律是19世纪人类物理学确立的最伟大概括。
它指的是，一个封闭（孤立）系统里面的总能量保持不变。
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一种形式转化为另一种形式。
或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。
能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。
它是贯穿于物理、化学和生物系统所经历的各种各样的变化之中的能量守恒。
物理学自此进入到了成熟期。
用热力学的语言表达的能量守恒定律就是热力学第一定律，具体表述的关键，在于引入一个新的热力学态函数：
U－U＝Q－W
其中：U代表内能，U和U指内能的两种状态，它们相差得出内能差。
Q代表系统与外界交换的热量，当热量注入系统，Q取正号。
W表示对外做的功。
如果经历一个循环，回到初态，那么Q＝W。
如果系统不从环境（外界）吸收热量，就不可能对外做功。
这就从根本上否定了永动机1.0的设想！
本文由“坤鹏论”原创，转载请保留本信息
请您关注本百家号，坤鹏论自2016年初成立至今，创始人为封立鹏、滕大鹏，是包括百度百家、头条、雪球、搜狐、网易、新浪等多家著名网站或自媒体平台的特约专家或特约专栏作者，目前已累计发表原创文章与问答6000余篇。