高中物理 第四章 機械能和能源 第6節(jié) 能量 能量轉化與守恒定律 否定永動機素材 粵教版必修2（通用）

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1、第6節(jié) 能量 能量轉化與守恒定律 否定永動機 據(jù)說永動機的概念發(fā)端于印度，在公元12世紀傳入歐洲。據(jù)記載歐洲最早、最著名的一個永動機設計方案是13世紀時由法國V·亨內(nèi)考提出來的。隨后，研究和發(fā)明永動機的人不斷涌現(xiàn)，盡管有不少學者研究指出永動機是不可能的。 文藝復興時期意大利學者達·芬奇曾經(jīng)花費不少精力研究永動機，最后得到永動機不可制造的結論。同時代的J·卡丹（以最早給出求解三次方程的根而出名），也認為永動機是不可能的。第一類永動機違背了能量守恒定律，而第二類永動機則違背了熱力學第二定律。 隨著對永動機不可能性的認識，一些國家的專利局決定不再受理發(fā)明永動機的專利申請。 經(jīng)驗性表述

2、13世紀，人們開始萌發(fā)制造永動機的愿望。15世紀，偉大的藝術家、科學家和工程師達·芬奇投入了永動機的研究工作。1475年，達·芬奇認真總結了歷史上的失敗教訓，得出一個重要結論：“永動機是不可能造成的?！?他還認識到，機器之所以不能永動下去，與摩擦有關。于是對摩擦進行深入而有成效的研究。但是達·芬奇始終沒有對摩擦阻礙機器運動作出科學解釋，尚不能認識摩擦（機械運動）與熱現(xiàn)象之間轉化的本質(zhì)聯(lián)系。 此后有一部分學者相繼得出“永動機是不可能造成的”結論，并把其作為一條重要原理用于科學研究之中。荷蘭的數(shù)學力學家S·斯臺文，于1586年運用這一原理通過對“斯臺文鏈”的分析，率先引出力的平行四邊形定則。伽利

3、略在論證慣性定律時也應用過這一原理。 伽利略設計的第一類“永動機” 1673年，C·惠更斯在《擺式時鐘》一書中反映了這種觀點。把伽俐略關于斜面運動的研究成果運用于曲線運動，從而得出結論：在重力作用下，物體繞水平軸轉動時，其質(zhì)心不會上升到它下落時的高度之上。因而得出用力學方法不可能制成永動機的結論。 歷史上運用“永動機是不可能制成”的這一原理在科研上取得輝煌成就的是法國青年科學家卡諾。 1824年卡諾推出“卡諾定理”，原理只能在機械運動和“熱質(zhì)”流動中運用，不是現(xiàn)代意義上的能量轉化和守恒定律，只是機械運動中的能量守恒的經(jīng)驗總結，是定律的原始形態(tài)。 “第一類永動機是不可能造成的”是熱力學

4、第一定律的另一種表述方式。在第一定律確立前，曾有許多人幻想制造一種不消耗能量，但可以作功的機器，稱為第一類永動機。制造這種永動機的努力的徹底失敗，從反面促進了能量守恒和轉化定律的建立[6]??。 熱力機械 1798年，美國人C·朗福德發(fā)現(xiàn)用鏜具鉆削制造炮筒的青銅坯料時，金屬坯料發(fā)燙。朗福德注意到只要鏜鉆不停止，金屬就不停地發(fā)熱。結論是鏜具的機械運動轉化為熱，因此熱是一種運動形式，而不是以前認為的是一種物質(zhì)。朗福德試圖計算一定量的機械能所產(chǎn)生的熱量，首次給出一個粗略的熱功當量的數(shù)值。半個世紀后，焦耳提供了正確數(shù)值。 1712年，英國人T·紐可曼發(fā)明了大氣壓蒸汽機。這種機器具有汽缸與活塞，

5、工作時先把蒸汽導入汽缸， 這時汽缸停止供汽而汽缸內(nèi)進水，蒸汽遇冷凝結為水使汽缸內(nèi)的氣壓迅速降低，可以把水吸上來。之后再把蒸汽導入汽缸，進入下一個循環(huán)。最初的這種蒸汽機約每分鐘往返十次，可以自動工作，使礦井的抽水工作大為便利。 J·瓦特在18世紀后半葉對蒸汽機進行了改進。其中最重要的改進有兩項，一項是發(fā)明了冷凝器提高了蒸汽機的效率，另一項是發(fā)明了離心調(diào)速器使蒸汽機速度可以自由控制。在瓦特改進蒸汽機之后，工業(yè)上才得到普遍使用。 溫度計的發(fā)明 關于熱的精確理論應當從制造溫度計開始。17世紀，G·伽利略等人開始制作溫度計。由于采用的溫標使用不方便，后人很少使用。 1714年，實用溫標是德國物理學家D·華倫海開始使用水銀做溫度計，并且不斷改進，1717年確定了華氏溫標?？茖W家正式確定華氏溫標為：以水的沸點為212度，把32度定為水的冰點。這樣規(guī)定，是盡量使通常的溫度避免取負值。 1742年至1743，瑞典天文學家A·攝耳修斯發(fā)明了攝氏溫標，以標準狀態(tài)下水的結冰溫度為零度，水的沸點為100度。1948年攝氏溫標被國際度量衡會議定為國際標準。