2.1　能量定律

19世紀初期，不少人曾一度夢想著制造一種不靠外部提供能量，本身也不減少能量的可以永遠運動下去的機器（永動機）。即只需提供初始能量使其運動起來就可以永遠地運動下去的一種機器，可以源源不斷自動地對外做功。熱力學第一定律被發現后，這個夢想便不攻自破。熱力學第一定律的發現是人類認識自然的一個偉大進步，第一次在空前廣闊的領域里把自然界各種運動形式聯系了起來。既為自然科學領域增加了嶄新的內容，又大大推動了哲學理論的前進。現在，隨著自然科學的不斷發展，能量守恒和轉化定律經受了一次又一次的考驗，并且在新的科學事實面前不斷得到新的充實與發展。

2.1.1　能量守恒定律

19世紀中葉發現的能量守恒定律是自然科學中十分重要的定律。它的發現是人類對自然科學規律認識逐步積累到一定程度的必然事件。盡管如此，它的發現仍然是艱辛和激動人心的。18世紀50年代，英國科學家布萊克發現了潛熱理論，之后，亞歷山大·希羅發明的蒸汽機實現了熱能轉變為機械能。

在前面這些科學研究的基礎上，機械能的度量和守恒的提出、熱能的度量、機械能和熱能的相互轉化、永動機的大量實踐被宣布為不可能。由此，能量守恒定律的發現條件逐漸成熟了。邁爾在1841年最早提及了熱功當量。他說：“對于我能用數學的可靠性來闡述的理論來說，極為重要的仍然是解決以下問題，某一重物［例如100lb（1lb=0.45359237kg）］必須舉到地面上多高的地方，才能使得與這一高度相應的運動量和將該重物放下來所獲的運動量正好等于將1lb 0℃的冰轉化為0℃的水所必需的熱量。”之后，亥姆霍茲在這方面也發表了同樣的論點。1840年焦耳經過多次測量通電的導體，發現電能可以轉化為熱能，并且得出一條定律：電導體所產生的熱量與電流強度的平方、導體的電阻和通過的時間成正比。后來焦耳繼續探討各種運動形式之間的能量守恒與轉化關系，并提出了：“自然界的能是不能毀滅的，哪里消耗了機械能，總能得到相當的熱，熱只是能的一種形式。”

能量守恒定律指出：“自然界的一切物質都具有能量，能量既不能創造也不能消滅，而只能從一種形式轉換成另一種形式，從一個物體傳遞到另一個物體，在能量轉換和傳遞過程中能量的總量恒定不變”。其含義為：①從一種形式轉換成另一種形式是泛指，是指所有形式能量；②能量轉換和傳遞過程中能量的總量恒定不變，并沒有限制是哪幾種形式能量。設一體系有3J動能增量和6J電能增量全部轉換為勢能。根據各種形式的能量相互轉化的規律可知：要保證系統能量守恒，其根本原因：一是系統內各種形式的能量可以相互轉換，且轉換的量值一定相等（以下稱為等量轉換原則）；二是系統內變化形式能量的減少量與變化形式能量的增加量相等。即∑ dE_減少=∑dE_增加。

另外，系統內的作用是有時間與過程的，不同形式能量之間的轉換是多種多樣的，故要確保能量守恒定律成立的條件之一就是所有形式能量之間是可以相互轉換的，且轉換量一定相等。

由此，我們可得出：

①∑E=常量，只是保證總能量守恒或總能量增量守恒，并不保證體系內的所有形式能量之間能量轉換必須遵守等量轉換原則，在∑E=常量中，不僅含有不同形式能量之間轉換遵守等量轉換原則的總能量守恒或總能量增量守恒，而且還含有不同形式之間能量之間轉換不遵守等量轉換原則的總能量守恒或總能量增量守恒。而根據能量守恒定律，能量的變化只能是不同形式的能量互相轉化，在轉化中每一種形式的能量轉化為另一種形式的能量時，都要嚴格遵守等量轉換原則，從而才能保證總能量守恒。明顯∑E=常量等同于能量守恒定律。

②能量守恒定律成立的條件：一是功和能的關系——各種不同形式的能可以通過做功來轉化，能轉化的多少通過功來度量，即功是能轉化的量度。二是能量增量與各種形式能量之間的關系——各種形式能量的轉換遵守等量轉換原則，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=常量與∑dE_減少=∑dE_增加是結果。

③能量守恒定律與總能量守恒（總改變量守恒）以及幾種能量形式等量轉換之間的關系是不可逆的，由能量守恒定律可得總能量守恒（總改變量守恒）以及能量形式等量轉換，但由總能量守恒（總改變量守恒）以及幾種能量形式之間等量轉換是不能得到能量守恒定律的。能量守恒定律與總能量守恒（總改變量守恒）以及幾種能量形式等量轉換是不能等同對待的。

④能量守恒有二，一是等量轉換，二是總量守恒，二者不可或缺。

⑤功能原理與能量守恒定律的本質是一致的。

2.1.2　能量轉換定律

我們生活在一個復雜而多變得世界中，物質、能量和信息是構成世界的基本要素。能量無處不在，能量轉換無時不有，表2-2列出了常見的示例。能量既不會憑空消失，也不會憑空產生，如圖2-1所示，它只會從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。這就是能量轉化遵循的規律。

雖然自然界中能量是守恒的，但是由于能量的轉化和轉移是有方向性的，因此還存在能源危機。這就需要我們提高能源的使用效率。

2.1.3　能量貶值原理

能量不僅有量的多少，還有質的高低。熱力學第一定律只說明了能量在量上要守桓，并沒有說明能量在“質”方面的高低。事實上能量是有品質上的差別的。自然界進行的能量轉換過程是有方向性的。不需要外界幫助就能自動進行的過程稱為自發過程，反之為非自發過程。自發過程都有一定的方向。前述溫差傳熱就是典型的例子，即熱量只能自發地（即不花代價的）從高溫物體傳向低溫物體，卻不能自發地由低溫物體傳向高溫物體。由此可見，自發過程都是朝著一定方向進行的，若要使自發過程反向進行并回到初態則需付出代價，所以自發過程都是不可逆過程。過程的方向性反映在能量上，就是能量有品質的高低。

熱力學第二定律指出，在自然狀態下，熱量只能從高溫物體傳給低溫物體，高品位能量只能自動轉化為低品位能量，所以在使用能量的過程中，能量的品位總是不斷地降低，因此熱力學第二定律也稱為能量貶值原理。

能量從“量”的觀點看，只有是否已利用、利用了多少的問題；而從“質”的觀點看，還有是否按質用能的問題。所謂提高能量的有效利用，其實質就在于防止和減少能量貶值發生。人們常把能夠從單一熱源取熱，使之完全變為功而不引起其他變化的機器叫作第二類永動機。人們設想的這種機器并不違反熱力學第一定律。它在工作過程中能量是守恒的，只是這種機器的熱效率是 100%，而且可以利用大氣、海洋和地殼作熱源，其中無窮無盡的熱能完全轉換為機械能，機械能又可變為熱，循環使用，取之不盡，用之不竭。其實這違背了熱力學第二定律。

從熱力學過程方向性的現實例子來看，所有的自發過程，無論是有勢差存在的自發過程，還是有耗散效應的不可逆過程，雖然過程沒有使能量的數量減少，但卻使能量的品質降低了。例如：熱量從高溫物體傳向低溫物體，使所傳遞的熱能溫度降低了，從而使能量的品質降低了；在制動剎車過程中，飛輪的機械能由于摩擦變成了熱能，能量的品質也下降了。正是孤立系統內能量品質的降低才造成了孤立系統的熵增。如果沒有能量的品質高低就沒有過程的方向性和孤立系統的熵增，也就沒有熱力學第二定律。這樣，孤立系的熵增與能量品質的降低，即能量的“貶值”聯系在一起。在孤立系統中使熵減小的過程不可能發生，也就意味著孤立系中能量的品質不能升高，即能量不能“升值”。事實上，所有自發過程的逆過程若能自動發生，都是使能量自動“升值”的過程。因而熱力學第二定律還可以表述為：在孤立系統的能量傳遞與轉換過程中，能量的數量保持不變，但能量的品質卻只能下降，不能升高，極限條件下保持不變。這個表述稱為“能量貶值原理”，它是熱力學第二定律更一般、更概括性的說法。