2.1　能量定律

19世纪初期，不少人曾一度梦想着制造一种不靠外部提供能量，本身也不减少能量的可以永远运动下去的机器（永动机）。即只需提供初始能量使其运动起来就可以永远地运动下去的一种机器，可以源源不断自动地对外做功。热力学第一定律被发现后，这个梦想便不攻自破。热力学第一定律的发现是人类认识自然的一个伟大进步，第一次在空前广阔的领域里把自然界各种运动形式联系了起来。既为自然科学领域增加了崭新的内容，又大大推动了哲学理论的前进。现在，随着自然科学的不断发展，能量守恒和转化定律经受了一次又一次的考验，并且在新的科学事实面前不断得到新的充实与发展。

2.1.1　能量守恒定律

19世纪中叶发现的能量守恒定律是自然科学中十分重要的定律。它的发现是人类对自然科学规律认识逐步积累到一定程度的必然事件。尽管如此，它的发现仍然是艰辛和激动人心的。18世纪50年代，英国科学家布莱克发现了潜热理论，之后，亚历山大·希罗发明的蒸汽机实现了热能转变为机械能。

在前面这些科学研究的基础上，机械能的度量和守恒的提出、热能的度量、机械能和热能的相互转化、永动机的大量实践被宣布为不可能。由此，能量守恒定律的发现条件逐渐成熟了。迈尔在1841年最早提及了热功当量。他说：“对于我能用数学的可靠性来阐述的理论来说，极为重要的仍然是解决以下问题，某一重物［例如100lb（1lb=0.45359237kg）］必须举到地面上多高的地方，才能使得与这一高度相应的运动量和将该重物放下来所获的运动量正好等于将1lb 0℃的冰转化为0℃的水所必需的热量。”之后，亥姆霍兹在这方面也发表了同样的论点。1840年焦耳经过多次测量通电的导体，发现电能可以转化为热能，并且得出一条定律：电导体所产生的热量与电流强度的平方、导体的电阻和通过的时间成正比。后来焦耳继续探讨各种运动形式之间的能量守恒与转化关系，并提出了：“自然界的能是不能毁灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相当的热，热只是能的一种形式。”

能量守恒定律指出：“自然界的一切物质都具有能量，能量既不能创造也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变”。其含义为：①从一种形式转换成另一种形式是泛指，是指所有形式能量；②能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变，并没有限制是哪几种形式能量。设一体系有3J动能增量和6J电能增量全部转换为势能。根据各种形式的能量相互转化的规律可知：要保证系统能量守恒，其根本原因：一是系统内各种形式的能量可以相互转换，且转换的量值一定相等（以下称为等量转换原则）；二是系统内变化形式能量的减少量与变化形式能量的增加量相等。即∑ dE_减少=∑dE_增加。

另外，系统内的作用是有时间与过程的，不同形式能量之间的转换是多种多样的，故要确保能量守恒定律成立的条件之一就是所有形式能量之间是可以相互转换的，且转换量一定相等。

由此，我们可得出：

①∑E=常量，只是保证总能量守恒或总能量增量守恒，并不保证体系内的所有形式能量之间能量转换必须遵守等量转换原则，在∑E=常量中，不仅含有不同形式能量之间转换遵守等量转换原则的总能量守恒或总能量增量守恒，而且还含有不同形式之间能量之间转换不遵守等量转换原则的总能量守恒或总能量增量守恒。而根据能量守恒定律，能量的变化只能是不同形式的能量互相转化，在转化中每一种形式的能量转化为另一种形式的能量时，都要严格遵守等量转换原则，从而才能保证总能量守恒。明显∑E=常量等同于能量守恒定律。

②能量守恒定律成立的条件：一是功和能的关系——各种不同形式的能可以通过做功来转化，能转化的多少通过功来度量，即功是能转化的量度。二是能量增量与各种形式能量之间的关系——各种形式能量的转换遵守等量转换原则，能量增量是所有形式能量的增量，是此形式能量的增量，也是彼形式能量的增量。而∑E=常量与∑dE_减少=∑dE_增加是结果。

③能量守恒定律与总能量守恒（总改变量守恒）以及几种能量形式等量转换之间的关系是不可逆的，由能量守恒定律可得总能量守恒（总改变量守恒）以及能量形式等量转换，但由总能量守恒（总改变量守恒）以及几种能量形式之间等量转换是不能得到能量守恒定律的。能量守恒定律与总能量守恒（总改变量守恒）以及几种能量形式等量转换是不能等同对待的。

④能量守恒有二，一是等量转换，二是总量守恒，二者不可或缺。

⑤功能原理与能量守恒定律的本质是一致的。

2.1.2　能量转换定律

我们生活在一个复杂而多变得世界中，物质、能量和信息是构成世界的基本要素。能量无处不在，能量转换无时不有，表2-2列出了常见的示例。能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，如图2-1所示，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。这就是能量转化遵循的规律。

虽然自然界中能量是守恒的，但是由于能量的转化和转移是有方向性的，因此还存在能源危机。这就需要我们提高能源的使用效率。

2.1.3　能量贬值原理

能量不仅有量的多少，还有质的高低。热力学第一定律只说明了能量在量上要守桓，并没有说明能量在“质”方面的高低。事实上能量是有品质上的差别的。自然界进行的能量转换过程是有方向性的。不需要外界帮助就能自动进行的过程称为自发过程，反之为非自发过程。自发过程都有一定的方向。前述温差传热就是典型的例子，即热量只能自发地（即不花代价的）从高温物体传向低温物体，却不能自发地由低温物体传向高温物体。由此可见，自发过程都是朝着一定方向进行的，若要使自发过程反向进行并回到初态则需付出代价，所以自发过程都是不可逆过程。过程的方向性反映在能量上，就是能量有品质的高低。

热力学第二定律指出，在自然状态下，热量只能从高温物体传给低温物体，高品位能量只能自动转化为低品位能量，所以在使用能量的过程中，能量的品位总是不断地降低，因此热力学第二定律也称为能量贬值原理。

能量从“量”的观点看，只有是否已利用、利用了多少的问题；而从“质”的观点看，还有是否按质用能的问题。所谓提高能量的有效利用，其实质就在于防止和减少能量贬值发生。人们常把能够从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其他变化的机器叫作第二类永动机。人们设想的这种机器并不违反热力学第一定律。它在工作过程中能量是守恒的，只是这种机器的热效率是 100%，而且可以利用大气、海洋和地壳作热源，其中无穷无尽的热能完全转换为机械能，机械能又可变为热，循环使用，取之不尽，用之不竭。其实这违背了热力学第二定律。

从热力学过程方向性的现实例子来看，所有的自发过程，无论是有势差存在的自发过程，还是有耗散效应的不可逆过程，虽然过程没有使能量的数量减少，但却使能量的品质降低了。例如：热量从高温物体传向低温物体，使所传递的热能温度降低了，从而使能量的品质降低了；在制动刹车过程中，飞轮的机械能由于摩擦变成了热能，能量的品质也下降了。正是孤立系统内能量品质的降低才造成了孤立系统的熵增。如果没有能量的品质高低就没有过程的方向性和孤立系统的熵增，也就没有热力学第二定律。这样，孤立系的熵增与能量品质的降低，即能量的“贬值”联系在一起。在孤立系统中使熵减小的过程不可能发生，也就意味着孤立系中能量的品质不能升高，即能量不能“升值”。事实上，所有自发过程的逆过程若能自动发生，都是使能量自动“升值”的过程。因而热力学第二定律还可以表述为：在孤立系统的能量传递与转换过程中，能量的数量保持不变，但能量的品质却只能下降，不能升高，极限条件下保持不变。这个表述称为“能量贬值原理”，它是热力学第二定律更一般、更概括性的说法。