科学网—标签 - 热力学史

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热度 1 jitaowang 2013-8-3 12:48

作者 : 王季陶如今卡诺定理可能是再简单不过的道理 , 然而它却是 19 世纪一门全新科学领域 --- 热力学 --- 的第一块壮丽奠基石 . 相关的教科书中都有介绍 . 但是要问卡诺为什么以及如何做到的 ? 从热力学史中可以看到类比的创新方法不错 , 以及类比也会出错 . 科学的根本基石是客观事实 . -------- 1687 年牛顿写出了一本科学巨著 : “ 自然哲学的数学原理 ”, 其中包含了牛顿力学的三大定律和万有引力 . 于是天下的一切大小事情似乎都可以用牛顿力学来解释 ! 例如 , 一个小孩往天空的前方丢了一颗石子 , 这颗石子就会按抛物线的轨迹行进 , 直到落到地面 ; 再如 , 天空的日月星辰为什么会那么有规律地运行等 , 都可以用牛顿力学来说明和计算 . 在整个十七世纪和十八世纪的近代科学几乎是牛顿力学的一统天下 ! 可是到十八世纪后期特别是 1769 年瓦特 (James Watt, 1736--1819, 英国人 ) 蒸汽机首先在英国的出现推动了整个欧洲的工业革命 . 如何提高蒸汽机的效率的问题就摆在人们的面前 . 十九世纪初法国就想迎头赶上 , 于是出现了一个年轻的工程师萨迪 ∙ 卡诺 (Sadi. Carnot, 1796-1832) 在 1824 年只有 28 岁就写了一本约 100 页的小册子 “ 对于热功的看法 (Reflections on the Motive Power of Heat)”, 其中提出了 “ 可逆热机的效率最高 ” 的卡诺定理 , 从此打破了牛顿力学的一统天下 . 到此不能不说一下 , 卡诺的学历和家庭背景 . 卡诺的最高学历是 1814 年毕业于巴黎综合理工学院 (cole Polytechnique), 该校是培养军事工程师的 , 并且以数学教学称著 . 而卡诺的父亲拉扎尔 ∙ 卡诺 (Lazare Carnot, 1753-1823) 也是一位法国的优秀工程师 , 特别是他研究过水力机效率的提高 , 并且得到结论是 : “ 水所能产生的最大能量与落差有关 ”. 拉扎尔 ∙ 卡诺还亲自对孩子进行教育和培养 . 1823 年拉扎尔 ∙ 卡诺去世后 , 萨迪 ∙ 卡诺就搬进他父亲的房子里工作 . 萨迪 ∙ 卡诺研究蒸汽机时继承了他父亲研究水力机的思路 . 1 年后 , 萨迪 ∙ 卡诺就完成了他一生中唯一的学术著作 , 书中写到 : “…, 我们可以用足够的精确度来进行由热作功和瀑布作功来进行类比 . … (…, we can compare with sufficient accuracy the motive power of heat to that of a waterfall. …)” “ 蒸汽机的作功能力并不是由于消耗热素而是由于热量从高温物体转移到低温物体 . ( The production of motive power is therefore due in steam engines not to actual consumption of caloric but to its transportation from a warm body to a cold body.)” “ 在热量的转移中 , 作功能力明显地随着高温和低温物体的温度差而增加 , 但是我们还不知道它是不是和温度差成正比 . (In the fall of caloric, motive power evidently increases with the difference of temperature between the warm and cold bodies, but we do not know whether it is proportional to this difference.)” 在王竹溪 , “ 热力学 ”(1955, p. 85) 书中也指明 : “ 他 ( 卡诺 ) 是第一个人指出 , 热机必须工作于两个不同温度之间 , 把热量从高温传到低温而作功 , 犹如水力机作功是由于水从高处流到低处的结果一样 .” 卡诺可逆热机效率最高的构思也可来源于水力机 . 但是卡诺把热流作功和水流作功进行类比 , 水流在推动水力机时 , 水是不减少的 . 这一点 , 也为卡诺的热素论 ( 认为热素是不生不灭的 , 因此不会减少 ) 错误埋下了根源 . 热素论错误的另一形成因素是它在法国当时是流行的 . 无论如何 , 卡诺在他的这本小册子中紧紧抓住了蒸汽机 ( 又称热机 ) 的本质 : 从高温热源 ( 蒸汽锅炉 ) 得到热量 Q 1 , 流向低温热源 ( 环境温度的冷凝水 ) 时就可以对外作功 W . 因此热机的效率 h 就是从烧煤的蒸汽锅炉中得到的热量 Q 1 和生成的功 ( 当时又称动力 motive power) W 之比 , 即 h = W / Q 1 . 相应地 , 得到卡诺定理 : “ 所有工作在同温热源与同温冷源之间的热机 , 可逆热机的效率为最大 . h = W/Q 1 .” 这是正确的 . 卡诺定理的推论 “ 所有工作在同温热源与同温冷源之间的可逆热机 , 其效率一定相等 .” 这也是正确 . 这也表明可逆热机的效率和工作介质无关 . 卡诺还在书中还详细地讨论了卡诺循环是由等温膨胀 , 绝热膨胀 , 等温压缩和绝热压缩四个步骤所组成等等 . 而所有这一切在当时的牛顿力学家看来都是无法处理的 , 根本无法理解蒸汽机作功能力的来源 . 不幸的是 , 8 年后 (1832 年 ) 卡诺就因为感染霍乱而亡 . 他的这本光辉著作 ( 法文 , 自费正式出版 , 卖得不多就绝版 ) 似乎也就埋没了 . 幸而后来被他的巴黎综合理工学院年轻 3 岁的校友克拉贝隆 (Emile Clapeyron, 1799--1864) 发现并认识到这一著作的重要基础性意义 . 1834 年 35 岁的克拉贝隆在该校的学报上发表轮文转述了卡诺的主要工作 . 克拉贝隆还用他自己的 p ( 纵坐标压强 ) - V ( 横坐标体积 ) 图示方式来描绘了卡诺循环的四步单一简单过程 , 即绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩和等温膨胀 , 并作了详细数学的处理 , 见图 1. 这一图示法表示的循环只可能是可逆过程 . 这种图示法被大多数热力学教科书一直沿用到今天 . 卡诺定理在如今可能是再简单不过的道理 , 然而它却是 19 世纪一门全新科学领域 --- 热力学 --- 的第一块壮丽奠基石 . 相关的内容在有关热力学的教科书中都可以找到 . 但是要问卡诺为什么以及如何做到的 ? 从热力学史中可以看到他的类比创新方法不错 , 以及类比也会出错 . 科学的最重要核心 : 无非就是面对现实 , 客观事实 , 和严谨的实验 ; 摆事实 , 讲道理 ; 实事求是 . 卡诺面对蒸汽机和工业革命的现实和事实 , 讲出了一个新领域 --- 热力学的大道理 !

个人分类: 现代热力学|7918 次阅读|3 个评论

悼念博友沈惠川老师!

热度 3 jitaowang 2013-4-26 07:07

作者 : 王季陶 4 月上旬从科学网上惊悉博友中国科大沈惠川老师于 2013 年 4 月 6 日 68 岁逝世的噩耗 ! 颇感震惊 ! 我们相识时间并不长 , 交往也不多 , 但是在 “ 热力学 ” 和 “ 热力学史 ” 等问题上还是有比较深入和真实的交流讨论 , 留下深深的怀念 ! 我可能是从看到沈老师的 2012-4-25 博文 : “ 沈惠川：人间书话（凌驾阁笔记）之闲话热力学史 ” 开始认识和留下较深印象的 . 其中沈老师说到 : ==== 【 1990 年 7 月，中国科学院自然科学史所闫康年研究员（ 1933- ）应我之索，寄来了他的大作《热力学史》。在随书同来的信中，闫先生要求我为此书写一篇“书评”。由于当时不明白这样的“书评”是由他推荐发表呢还是由我自己向杂志社投稿，而且当时我正忙于其他论文，因而一直没有动笔；时间一长，也就耽误了。前几天，突然想对热力学和《热力学》教科书闲评几句，联想到还欠闫先生一个人情债，故而在文首先扯一下这件事。在拙著《统计力学题谱》的“跋”中，我谈到了复旦大学已故王福山教授提供的有关《热力学史》出版前后的情况：在阎康年先生的《热力学史》出版前，我曾向王老师打听过热力学原始论文，因为我看到过一套由日本人编篡的热力学原始论文集。王老师说： “ 热力学原始论文，我们以前是想出书。后来可能销路问题只是按照当时已有的所刻蜡纸油印了一些，一套有几本 ······· 这些原始文章主要是复旦理科大批判组时化学组胡家璁同志收集起来并翻译的。我记得有热力学第一和第二定律方面的，其中如亥姆霍茨（ H L F von Helmholtz ）的 Kraft （力，即能量），梅耶 (J R von Mayer) 在船上做医生时对人体血液变化的观察，克劳胥斯（ R E Clausius ）关于熵的几篇文章（凡德文的原始文章我都参与过校和译）。卡诺（ S Carnot ）的文章因弄不到德文原文而从英译本译的。此外当然还有汤姆逊（ W Thomson ）的文章。胡家璁确实为此花了许多时间。四人帮打倒后，理科大批判组解散，而这些资料（已刻成蜡纸）全由胡保管着。后来我们把它们油印并装订成册，知道的就来买了。 ” 阎康年先生的《热力学史》出版后，曾寄了一本给我。由于剩书不多，他没有寄给王老师。我曾去信问过阎康年先生他的资料来源，阎先生说他确曾参考过胡家璁的油印本。】 ==== 从中我看到了沈惠川老师和胡家璁老师对 “热力学史”都有兴趣或贡献. 同时由于胡家璁老师和我都是早先1958-1962年在复旦大学高分子教研组(最初兼称中国科学院高分子研究所)的第一批成员和同事. 既然沈惠川老师和胡家璁老师我都认识, 立即从中介绍相约2012年约6月在我的办公室一同见面. 相见甚欢. 特别是沈老师还提出希望胡家璁老师能够给他一份和热力学史密切相关的那本“油印本”. 胡老师也答应说: 不知是否能够找到, 如果找到将提供给沈老师. 对“油印本”后面的情况我就没有过问.在我们三人一同交谈时, 我也介绍了国外出版最新的英文专著时我的书稿全文, 险些被南非University of KwaZulu Natal的英国出身的教授 Trevor Letcher ( 专著proposal的前审稿人, 书稿全文是不再需要审稿的), 企图通过Springer编辑公然违反我和Springer双方签定的出版合同和合同中国际版权公约条款 , 来剽窃我的专著成为co-author, 而被我坚决拒绝. (参见我的博文: “ 1180元1本教授专著, 啥味? 险(咸)!!!!! ”) 这时他俩几乎同声说: 这可是大好事! 可以很快出名, 甚至在国内可能成为院士, 只是不符合你的性格. 我也立即表示说: 借着洋人很快出名的事很多, 但是我是决不会允许自己的专著被别人剽窃为co-author的事得逞. 我在2012-10-15博文 “ 【科普】热力学第二定律: 3. 1850年克氏表述的由来 ”专门指出: 沈惠川老师向我介绍过 , 这次我看了一下, 其中很多内容直接取材于原著, 我将认真学习并特此推荐] 在我的2012-11-12 博文“ 【科普】热二律: 6. 站在巨人肩膀上学科领域创新 ”后的评论中沈老师也和我谈过“热力学史”. ==== 沈惠川 2012-11-15 15:07 博主回复 (2012-11-15 14:32) ：谢谢 . 估计精力有限 , 很希望您能完成这一工作 . 有需要时 , 我当尽力协助 . －－－－－－－－－－－－－－合作也可。以你为主。博主回复 (2012-11-15 15:25) ：建议热力学史以您为主 . 沈惠川 2012-11-15 08:21 博主回复 (2012-11-12 08:22) ：谢谢您的推荐和介绍 , 暑假后我就到图书馆把书借到 . 该书中还有 1867, 和 1875 年多次重复补偿的内容 , 所以这是克氏研究 15-25 年后所强调的 . 不足之处是该书没有把这句话 , 按原文第二定律断定 ... 翻译出来 . 估计阎老师也不想和教科书发生冲突 . －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－建议王先生重新写一本热力学发展史；复旦如果出版不成可到科大来出。博主回复 (2012-11-15 14:32) ：谢谢 . 估计精力有限 , 很希望您能完成这一工作 . 有需要时 , 我当尽力协助 . 沈惠川 2012-11-12 08:04 正如阎康年著 : 热力学史 , 济南 : 山东科学技术出版社 (1989) p. 144 所说 : “ 克劳修斯把熵增加定为正向 , 因为它是自发的 , 不需施加补偿即可进行 . 但是 , 其反方向即要使熵减少或向负向变化 , 则必须同时由另外的正向变化予以补偿 , 否则是不可能发生的 .” 博主回复 (2012-11-12 08:22) ：谢谢您的推荐和介绍 , 暑假后我就到图书馆把书借到 . 该书中还有 1867, 和 1875 年多次重复补偿的内容 , 所以这是克氏研究 15-25 年后所强调的 . 不足之处是该书没有把这句话 , 按原文第二定律断定 ... 翻译出来 . 估计阎老师也不想和教科书发生冲突 . ==== 因为沈老师比我年轻很多(现在知道比我小12岁), 我自知年事高精力和能力有限, 衷心希望由他完成这一艰巨任务. 有需要时, 我当尽力协助. 遗憾的是: 现在只能希望其他年轻人来完成. 写“史”确实需要一定的专业根底, 同时更需要一定的品质, 敢于分清事实, 面对事实, 承认事实. 在这方面沈老师给我的印象也是不错的. 因此, 在我们的“短消息”中, 也进行事实的核对, 他对事实的回答很明确. 针对有人虚假地假借洋人来否定我国的热力学前辈王竹溪老师时, ==== jitaowang 2012-12-31 00:38 … 他现在公然反过来说: , 您是怎么理解的? ShenHuiChuan 2012-12-31 09:14 他此话没有根据. ==== 如今沈惠川老师已经西去, 所幸沈老师在科学网和中国博客网上博客依然留存着, 可以供人们观看和缅怀. 安息吧! 沈惠川老师!

个人分类: 纪实篇|2721 次阅读|8 个评论

沈惠川：人间书话（凌驾阁笔记）之闲话热力学史

热度 2 ShenHuiChuan 2012-4-25 08:52

沈惠川：人间书话（凌驾阁笔记）之闲话热力学史一．关于闫康年的《热力学史》 1990 年 7 月，中国科学院自然科学史所闫康年研究员（ 1933- ）应我之索，寄来了他的大作《热力学史》。在随书同来的信中，闫先生要求我为此书写一篇“书评”。由于当时不明白这样的“书评”是由他推荐发表呢还是由我自己向杂志社投稿，而且当时我正忙于其他论文，因而一直没有动笔；时间一长，也就耽误了。前几天，突然想对热力学和《热力学》教科书闲评几句，联想到还欠闫先生一个人情债，故而在文首先扯一下这件事。在拙著《统计力学题谱》的“跋”中，我谈到了复旦大学已故王福山教授提供的有关《热力学史》出版前后的情况：在阎康年先生的《热力学史》出版前，我曾向王老师打听过热力学原始论文，因为我看到过一套由日本人编纂的热力学原始论文集 . 王老师说： “ 热力学原始论文，我们以前是想出书 . 后来可能销路问题只是按照当时已有的所刻蜡纸油印了一些，一套有几本 ······· 这些原始文章主要是复旦理科大批判组时化学组胡家璁同志收集起来并翻译的 . 我记得有热力学第一和第二定律方面的，其中如亥姆霍茨（ H L F von Helmholtz ）的 Kraft （力，即能量），梅耶 (J R von Mayer) 在船上做医生时对人体血液变化的观察，克劳胥斯（ R E Clausius ）关于熵的几篇文章（凡德文的原始文章我都参与过校和译） . 卡诺（ S Carnot ）的文章因弄不到德文原文而从英译本译的 . 此外当然还有汤姆逊（ W Thomson ）的文章 . 胡家璁确实为此花了许多时间 . 四人帮打倒后，理科大批判组解散，而这些资料（已刻成蜡纸）全由胡保管着 . 后来我们把它们油印并装订成册，知道的就来买了 . ” 阎康年先生的《热力学史》出版后，曾寄了一本给我 . 由于剩书不多，他没有寄给王老师 . 我曾去信问过阎康年先生他的资料来源，阎先生说他确曾参考过胡家璁的油印本 . 《热力学史》由山东科学技术出版社 1989 年出版，是国内第一本有关热力学史的学术书籍。闫康年先生在这本书上面花了不少心血：除了参考过胡家璁的油印本外，他还通过王竹溪先生、翁士达先生找到了相关资料；他本人甚至亲自到剑桥大学去搜集。热力学史之所以难写，一方面在于国外同类完整的书籍几乎没有（早期热力学简史散见于 E Mendoza 在《当代物理学》 Physics Today 杂志 1961 年第 14 卷第 2 期第 32 页上的介绍， E Mach 的《热学原理》 Principien der Warmelehre ， M T F von Laue 的《物理学史》 Geschichre der Physik 等中），另一方面在于创立热力学的几个“元老级”人物中有不少都不是由正规大学培养出来的物理学家，物理学史家对他们重视不够甚至十分轻视。例如焦耳（ J P Joule ， 1818 － 1889 ）是一位啤酒酿造商，而梅耶（ J R von Mayer ， 1814 － 1878 ）则是一个普通的开业医生。在闫康年先生的《热力学史》中，详述了通常热力学教科书中提到的“热力学三定律” 以及它们的来龙去脉、它们的各种表述、首创权之争和它们的各种应用。在最后一章（即第六章）中，闫先生顺带介绍了热力学第零定律。这些介绍都很到位。实际上，由于“非平衡态热力学”的近代发展，现在又有了所谓“热力学第四定律”。但是，《热力学史》一书中却没有提到“热力学第四定律”。当然，瑕不掩瑜。除此之外，《热力学史》一书中还缺少一位十分了得、十分著名的人物，即 J B J Fourier （傅立叶， 1768 － 1830 ）。在许多讲述热力学史的书中，都有意无意地忽略了 Fourier 的开创性工作。有些人可能认为热力学的通常形式与“ Fourier 级数”或“ Fourier 积分”关系不大，但物理学家并不这样认为；例如汤姆逊（ W Thomsom ，即 Kelvin 勋爵， 1824 － 1907 ）就自称 Fourier 关于热传导的工作影响了他在数学物理学方面的全部经历。数学史家 J R Ravets 和 I Grattan-Guinness 也说过：“由于人们仅仅只注意 Fourier 级数和 Fourier 积分这两个结果，并在评价它们的推导时使用了不合时代的严格性标准，所以长期把 Fourier 的主要成就史给搞混了。” Fourier 是裁缝之子，当过修道士、牧师、教师， 1798 年随 Napoleon 攻打埃及，担任过地方行政长官，编撰了《埃及大全》， 1817 年被选为法国科学院院士， 1822 年成为法国科学院终身秘书。他是一个传奇式的科学家。（关于《热力学史》一书中缺少 Fourier 的遗憾，我收到闫康年先生来信后即向他表达了。闫先生答应以后若再版时考虑加入。）北京大学物理学院的刘川教授在课堂上详细介绍 Fourier 时说： J. Fourier ，法国人，经历比较坎坷。生活在法国大革命的动荡年代。当时他是二三十岁热心青年，投身革命，加入了革命委员会。法国大革命相当血腥， Fourier 蹲过监狱，差点和 Robespierre 一起被送上断头台。但他命比较硬，没死；因为是温和革命派，国家不但把他放了出来，还送他继续深造，一七九几年，巴黎高师初建，他是第一届或是第二届学生。他的老师都是非常有名的，如 Lagrange, Laplace 等等， Fourier 认为 Lagrange 最棒， Laplace 次之。后来， Fourier 加入了法国人民解放军，跟随 Napoleon 去打埃及，应该说还是有些邪恶的。当时 Napoleon 如日中天，打下了 Alexandria 城； Fourier 就成了政府大员，负责建立埃及的教育系统。另外一件重要的事；就是去挖坟，把埃及法老的墓给科研了一下。不久，战事不顺， Napoleon 在尼罗河上打了败仗， Fourier 就又回来了。这一段主要是干革命。到 1804 ～ 1809 年，他研究了固体中的热传导问题，这是他一辈子最伟大的，也是唯一说得上的工作，貌似是物理，其实是数学，开创了新的数学分支。热传导方程用三角级数展开求解的论文，送去评奖，经过了一番竞争，当然这竞争不是很激烈，是二选一；奖最后还是给了 Fourier ，但评价不好，受到了 Lagrange, Laplace, Poisson 的质疑，毕竟人们还只是习惯于 Taylor 展开。但，这是革命性的工作，是现代实变函数的开端。 Fourier 个人和 Napoleon 关系不错，但 Napoleon 后来对他不太满意，因为当 Napoleon 东山再起时 Fourier 躲着不想见他。但 Napoleon 还是委以重任，主管法国科学院，他上任之后的第一个任务就是出版自己的书。“ Fourier 变换”于是乎变得重要了；就开始有人和他争优先权，就是那个和他一起争论文评奖的那位，叫做 Biot （ Biot-Savart 定律的那个）。闫康年先生的《热力学史》搜集了许多资料，当然功劳应当充分肯定。因为这是中文热力学史中的第一本，而且在国际上也可能是开山之作。正因为是中文热力学史中的第一本，所以遗漏一些信息也在所难免。二．关于热力学热力学与物理学中其他学科相比较，是一门十分特殊的部门（分支）。首先，热力学的“实验味”更重；它的许多结论都与日常生活经验有关（因而热力学是日常生活经验的总结，而日常生活经验总是与“熵”或“负熵”有关）；正是由于这一点，根据统计力学的物理分析可知，它实际上与我们所处的空间的维数和生物运动的范围是“非相对论的”有关（也许还取决于别的因素，例如在“临界现象”中至今仍有不得要领之处）。人类所做的所谓“实验”，由“实验”所得到的结论，都与这一前提有关。其次，热力学是唯一“不可逆”的物理学学科。所有“可逆”的物理学都可以是相互独立的，但所有的“不可逆”都是相互关联的。这种“不可逆”与时间的“不可逆”有关，很可能生物对时间的感知就是由于有这种“不可逆”的相互关联。第三，热力学中的逻辑推理只是“数学分析”中的“全微分”和“ Pfaff 方程”概念；数学上简单浅显、不会出错。所以，热力学的结果不可能与数学演算有关，而只可能与物理前提有关。热力学是物理实验和数学推演相结合的产物。相比较其他物理学学科，热力学中的数学只是“小学生”水平（实际上是“大一本科”水平）。第四，热力学中公式计算，有点类似于几何题的证明；在这一点上与相对论相仿。对于喜欢锻炼思维能力的大学生来说，热力学是一个很好的切入点；相比较理性很强的相对论来说，它还是较为平庸的（即使是“民科”也不会太为难）。第五，热力学与相对论一样，按照 A Einstein 的说法，是一种“原理性”的科学；它们凌驾于其他物理学甚至其他非物理学科之上；是物理学中的物理，是物理学中的哲学。但比较相对论来说，热力学结论只是经验的堆砌，在思想性方面还差得很远；热力学仅仅到了统计力学的程度，才算“入化”。第六，正是由于有上述第一和第五两点理由，热力学的结论可以被用于验证统计力学和相对论。热力学的结论可以被用于验证相对论（主要是相对论的一些结论），是出人意料的。第七，热力学与分析力学的 Hamilton 力学在数学结构上完全相同，因而二者在数学推演方面可以放在同一框架下进行。然而，热力学和 Hamilton 力学处理问题的侧重点是不同的，重大关切也是不同的；最重要的区别在于热力学“熵”是恒增的。第八，热力学只是“热学”的数学演绎。授课时比较吸引学生的还是“热学”，而热力学的讲解往往是枯燥乏味的（有学生在课堂上希望老师降尊纡贵将“热力学”讲成“热学”，也有老师在上“热力学统计物理学”课时将“热力学”内容略而不述）。所谓“热力学史”，很大程度上实际是“热学史”。一本思想深刻的热力学史，应当在书中适当反映以上这些观点。诗言志，史言哲。三．“永动机”的笑话在热力学史中，少不了要谈论“永动机”。 “永动机”的想法起源于古印度。在古印度的哲学中，永久的循环（佛教的“轮回”）起着巨大的作用。公元 1200 年前后，“永动机”的思想从印度传到了伊斯兰世界，并进而传到了西方。时至今日，各式各样的“永动机”设计和制造仍此起彼伏。在物理学理论中，为了简化的需要，几乎所有的物理学方程（除了热力学方程之外）都是时间可逆的（但若“力”是“非完整”的，也有可能导致时间不可逆），这就给设计和制造“永动机”者一种误导，使他们误以为机械能是永远守恒的，或者误以为时间流逝是双向的。有些“永动机”设计和制造更是自欺欺人的骗局。为了不在这类无聊的骗局中继续浪费时间和资源， 18 世纪的巴黎科学协会作出了“原则上不再受理”这类设计的决议。在热力学史中，应当对“永动机”的骗局和错误予以批判和揭露。 1. 第一类永动机第一类永动机即，不需要任何动力和燃料，却能不断地对外做功的机器。西方第一个设计第一类“永动机”的人是法国营造师 Villard de Honnecourt ； 1235 年，他在一本书中画了一张“永动机”图。公元 1200 年后，另一位法国人 Piere de Maricourt 用一个球磁体设计了另一种“永动机”。 1715 年，德国人 Karl Elias Bessler 制造了一个“永动机”骗局；此骗局曾骗倒了许多王公贵族、神学家和哲学家。这一骗局后来被其女仆所揭穿：原来此“永动机”是由邻屋里的人用手推动的！ 2. 第二类永动机第二类永动机即，能从单一热源吸收热能并使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器。（ F. W. Ostwald （ 1853-1932 ））关于第二类永动机的“设计”和“制造”，至今仍为“民科”所热衷。但没有一项是成功的（“没有一项是成功的”就是规律）。有一本热力学史中收录了喜剧大师 Michael Flanders 和Donald Swann的歌曲《第一和第二定律》：（1）你不能让热从冷处传到热处，你想试一试吗？结果将一无所获！ “不见得吧？让冷的再变冷，会让热的再变热——这才合乎规矩，就像热能从热的东西传出，一定会使冷的东西变热。” 不！你不能让热从冷处传到热处。你如果要试试，你就犹如一个蠢货！冷的东西变热，这才合乎道理—— 因为这是一条物理法则！（2）热就是功（工作），而工作是该死的东西！宇宙中所有的热，因为不能再增加，将要逐渐冷下去。此后，不会再有任何工作了，于是天下太平，永远的休息！ “真的吗？” 真的！老兄，这就是熵！所有这些都是因为—— 热力学第二定律！四．热力学“趣事”、“囧事”一箩筐热力学第零定律是由否勒（ R H Fowler ， 1889-1944 ）和乌伦贝克（ G. E. Uhlenbeck ， 1900-1974 ）提出的。热力学第一定律是由卡诺（ N L S Carnot ， 1796 － 1832 ）、焦耳、梅耶（迈尔）、克劳修斯（ R J E Clausius ， 1822 － 1888 ）、汤姆逊（ W Thomsom ，即 Kelvin 勋爵， 1824 － 1907 ）、亥姆霍兹（ H. L. F. von Helmholtz ， 1821-1894 ）等几个人创立的。热力学第二定律是由克劳修斯、汤姆逊、克拉佩隆（ B-P Emile Clapeyron ， 1799-1864 ）、朗金（ W J M Ranking ， 1820 － 1872 ）、喀喇斯奥多瑞（ C Caratheodory ， 1873 － 1950 ）等几个人创立的。热力学第三定律是由能斯脱（ W H Nernst ， 1864 － 1941 ）和西蒙（ Sir F E Simon ， 1893 － 1956 ）创立的。热力学第四定律即“ Onsager 倒易关系”是由昂萨格（ L Onsager ， 1903 － 1976 ）创立的。热力学发展史出现的这些科学家，比起其他物理学科中的科学家，甚至其他非物理学科的科学家来说， “趣事”和“囧事”更多。闫康年先生书中，只对个别科学家的生平作了介绍，而且都很严肃、正经（同时语焉不详），其实不严肃、不正经的事迹在书中插几句也未尝不可。在热力学史中，科学家所遭受到的苦难和“不堪”似乎比其他学科中的科学家遭受到的更多。 1. 关于麦克斯韦、艾伦菲斯特和玻尔兹曼否勒是 P A M Dirac （ 1902 － 1984 ）和王竹溪（ 1911 － 1983 ）的老师，他是 E L Rutherford （ 1871 － 1937 ）的女婿，而 Rutherford 又是 J J Thomson （ 1856 － 1940 ）的学生， Thomson 则是 J C Maxwell （ 1831 － 1879 ）的接班人。 Maxwell 因出身贫寒（他是苏格兰人）而不被英国皇家科学院看重（他一生只有牛津大学和爱丁堡大学两个荣誉学位，只获得皇家学会的伦福德奖章和爱丁堡皇家学会的基思奖章两个奖项），英国女王 1960 年在提到英国以前许多有名的物理学家时甚至连 Maxwell 的名字提都没提（名单大概是皇家学会为她开出的）。乌伦贝克是吴大猷（ 1907 － 2000 ）、王承书、王明贞的老师，又是 P Ehrenfest （ 1880 － 1933 ）的学生，而 Ehrenfest 则是 L Boltzmann （ 1844 － 1906 ）的学生。正式的说法是： Ehrenfest 因儿子有病而与儿子同归于尽， Boltzmann 则因精神有病而上吊自杀。但也有山寨版的说法。中国的统计物理学家基本上都是王竹溪和吴大猷的门生（或者门生的门生），追根溯源，就是 Maxwell 和 Boltzmann 的学术继承人。 2. 关于卡诺卡诺出身于一个显赫的政治家庭，其父拉扎尔 · 卡诺（ Lazare Carnot ）先后是罗伯斯庇尔（ Robespierre ）的十二人公安委员会的成员之一、拿破仑 . 波拿巴（ Napoleon Bonaparte ）第一执政官（又是拿破仑！）手下的战争部长及滑铁卢战争前百日政权的内政部长。当拿破仑帝国在 1815 年被倾覆后，拉扎尔被流放国外，直至 1823 年病死于马格德堡。有一次，拿破仑正在向湖中载有一群女士的一艘小船周围扔石头，以溅水取乐；小卡诺冲上去大喊：“你这个讨厌的第一执政官，不许调戏女士！” 拿破仑闻后大笑。科学史家说；“此事幸亏没有对科学史造成严重后果。” 卡诺从巴黎理工学院毕业后进入巴黎总参谋军团，后又到法兰西学院听课。由于巴黎总参谋军团的改组，他被调回部队。然而，呆在部队的时间还不到一年，他便永远地辞去了职务，并在巴黎他父亲遗留下来的私寓里长期定居下来。卡诺性格孤僻而清高，他一生只有少得可怜的几位好友。在学派林立的巴黎学界，卡诺的厌世情绪越来越严重。他父亲的革命思想对他的影响至深，以致使他不满时局而与时代格格不入，这就更加恶化了他与社会的关系。七月革命爆发以后，他一度表现积极，但很快又失望了。由于他父亲的名气，七月革命党人提名他为巴黎政府的内阁成员。他厌恶这种官衔世袭的作法，毅然拒绝。最后他仍回到自己的书桌前从事科学研究。 1831 年，卡诺开始研究气体和蒸汽的物理性质。 1832 年 6 月，他患了猩红热，不久后转为脑炎，他的身体受到致命的打击。后来他又染上了流行性霍乱，竟于同年 8 月 24 日被夺去了生命。卡诺谢世两年后，他的弟弟才发表了《关于火的动力和产生这种动力的机器的看法》这本书。此书的第一个认真读者是克拉佩隆。 Maxwell 对卡诺理论作过高度评价；他说过：“卡诺的理论是一门具有可靠的基础、清楚的概念和明确的边界的科学。” 3. 关于焦耳焦耳身有残疾。由于这一原因，圣安德鲁斯大学甚至拒绝聘任他担任“自然哲学”教授（太过分了！）。 1875 年，焦耳的经济状况大不如前。这位曾经富有过但却没有一定职位的人发现自己在经济上处于困境，后来幸而在朋友的帮助下他弄到一笔每年 200 英镑的养老金，使他得以维持中等但舒适的生活。五十五岁时，他的健康状况开始恶化，研究工作减慢了。 1878 年当他六十岁时，焦耳发表了他的最后一篇论文。 1889 年 10 月 11 日，焦耳在索福特逝世。 4. 关于梅耶（迈尔）梅耶 1840 年开始在汉堡独立行医。他对万事总要问个为什么，而且事必亲自观察，研究，实验。 1840 年 2 月 22 日，他作为一名随船医生跟着一支船队来到印度尼西亚。有一日，船队在加尔各达登陆，船员因水土不服都生起病来，于是梅耶依老办法给船员们放血治疗。在德国，医治这种病时只需在病人静脉血管上扎一针，就会放出一股黑红的血来，然而在这里，从静脉里流出的却仍然是鲜红的血。于是，梅耶开始思考：人的血液之所以是红的是因为里面含有氧，氧在人体内燃烧产生热量，维持人的体温。这里天气炎热，人要维持体温不需要燃烧那么多氧了，因而静脉里的血仍然是鲜红的。那么，人身上的热量到底是从哪来的？顶多 500 克的心脏，它的运动根本无法产生如此多的热，无法光靠它维持人的体温。那体温是靠全身血肉维持的了，而这又靠人吃的食物而来，不论吃肉吃菜，都一定是由植物而来，植物是靠太阳的光热而生长的。太阳的光热呢？太阳如果是一块煤，那么它能烧 4600 年，这当然不可能，那一定是别的原因了，是我们人类未知的能量了。他大胆地推出，太阳中心约 2750 万度（现在我们知道是 1500 万度）。梅耶越想越多，最后归结到一点：能量如何转化（转移）？他一回到汉堡就写了一篇《关于无生命自然界力的评论》，并用自己的方法测得热功当量为 365 千克米 / 千卡。他将论文投到《物理年鉴》，却得不到发表，只好发表在一本名不见经传的医学杂志《化学与药学年鉴》上。梅耶的这篇论文“关于无生命自然界力的评论”实际上是他的第二篇论文，直到 1842 年才发表，原因是他的第一篇论文物理学水平很差，而且他所使用的个人“俗语”确实为大多数物理学家所厌恶（有不少物理学家包括焦耳都笑话他在论文中尽是自创的或不规范的术语）。他的第一篇论文直到他去世后的 1881 年才重新取回发表。在 1851 年之前，梅耶一共写过 4 篇论文。他到处演说：“你们看，太阳挥洒着光与热，地球上的植物吸收了它们，并生出化学物质 …… ”等等。然而，即使是最开放的物理学家们也无法相信他的话，除了批评就是冷嘲热讽，人们称他为“疯子”，而梅耶的家人也怀疑他疯了，竟要请医生来医治他。他不仅在学术上不被人理解，而且又先后经历了生活上的打击，幼子逝世，弟弟也因革命活动受到牵连，在一连串的打击下他是吗继而精神错乱，并失去生活的勇气。梅耶于 1849 年从三层楼上跳下自杀，但是未遂，却造成双腿伤残，从而成了跛子。随后他被送到哥根廷精神病院，遭受了八年的非人折磨。 1851 年他在论文《论热的机械当量》中说：“我继续隐瞒热的机械当量的存在是不可能的。但是，虽然我对于这个发现必须感谢一个偶然的事件，它却仍然是我自己的，并且我毫不迟疑地维护我的发现权。”“这一课题不久就引起学者们的注意，因此在国内外已排除了作为国内发现来对待；我自己觉得不得不宣布我有资格获得优先权。” 1852 年他“因精神错乱”住院治疗，康复后再也没回到科学研究上来。 1858 年，世界又重新发现了梅耶，他从精神病院出来以后，被瑞士巴塞尔自然科学院授为荣誉博士。晚年的梅耶也可以说是苦尽甘来，在晚年他先后获得了英国皇家学会的科普利奖章，还获得了蒂宾根大学的荣誉哲学博士、巴伐利亚和意大利都令科学院院士的称号。 1878 年 3 月 20 日梅耶在海尔布逝世。 5. 关于克劳修斯 1870 年克劳修斯在普法战争中组织了一支救伤队，在战争中受了伤，持久伤残，因此被授予铁十字勋章。还有其他几个从事热力学研究的科学家也遭受类似的磨难。这些科学家所遭受到的苦难和“不堪”令人深思！多灾多难！多难或许兴“邦”。

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