产业革命与现代工业课件

1产业革命与现代工业2§1能量守恒定律的发现3

能量守恒定律的发现谈到能量守恒原理，我们应当记得莱布尼兹最早提出的活力守恒定律。在莱布尼兹时代，动量守恒、角动量守恒、以及活力守恒定律相继建立起来了。人们本来可以继续发展已有的结果得到更为广泛的守恒定律。但是由于人们对热的本质了解得还不多，而且认为热是一种由“热素”产生的运动。所以在莱布尼兹之后的100年里，在守恒定律的研究方面一直是停止不前的。到了19世纪中叶，由于人们对热有了清楚的认识，在最一般意义之下的守恒定律才被发现。即使是这样，发现的过程也是很曲折的。4永动机的研究热潮永动机的想法起源于印度，公元1200年前后，这种思想从印度传到了伊斯兰教世界，并从这里传到了西方。1635年，在英国注册了第一个永动机的专利，到1903年左右注册的就有大约600个永动机的专利。1911年，美国专利局规定任何永动的机械专利必须实际运行一年后才能申报。不过之后还是有许多永动机的专利注册。5各种不同的永动机6托马斯·杨与他的研究托马斯·杨（ThomasYoung,1773,5,10－1829,5,10）是一位多才多艺的神童，他两岁就能读书，四岁可以读圣经。青年时期学会了十几门外语，会演奏多种乐器。后来杨开始学医，并且去德国求学，1796年获哥廷根大学的博士学位，1799年回国在伦敦开业行医，之后在皇家学院讲授自然科学，并于1802年被任命为皇家学会的外交秘书。7杨的主要贡献是在光学方面，他因为对声学研究得到的启示，认为光也应当存在干涉现象。他是光的波动说在沉寂了近百年后，又重新振兴的早期学者之一。但是由于英国有牛顿的微粒说统治，波动说不是“国货”，所以在英国没有多少支持者，倒是反对者不少。法国人夫瑞奈尔（AugustinJeanFresnel,1788－1827）继承了并且用实验证实了杨的学说，才使波动说被广泛承认，在后来的100年左右中居于主导地位。8“能量”一词，最早出现于托马斯·杨（ThomasYoung,1773,5,10－1829,5,10）在1807年出版的《自然哲学讲义》(ACourseofLectureonNaturalPhilosophyandMechanicalArts)在《碰撞》一讲中。他说：“在应用力学碰到的几乎所有的情况中，对于产生运动所必要的功，并不是与力矩成正比，而是与这个功所引起的运动的能量成正比。”他还说：“应当用能量一词来表示物体的质量或重量与表示速度的数的平方的积。”他的建议一直没有引起多大的注意，人们还是用“力”的概念去表示能量。9在同一本书中，他定义了“弹性模量”，至今人们还是把弹性模量称为杨氏模量。他还在揭示表面张力现象方面作出了贡献。晚年他对埃及古文字产生了兴趣，写了一些很有影响的有关埃及历史与古文字的论文。10托马斯·杨ThomasYoung

1773－182911迈尔在能量守恒方面的工作迈尔（JuliusRobertMayer,1814－1878）是德国的物理学家。大学时学医，但他并不喜欢当医生，他当过随船医生，工作比较清闲。大约是在1840年去爪哇的航行中，由于考虑动物体温问题而对物理学发生了兴趣。当时许多人进行永动机的实验都以失败而告终，从童年时期就给他留下了深刻的影响。这些使他猜想“机械功根本不可能产生于无”。

12

迈尔

JuliusRobertMayer

1814－187813在1841年9月12日他给友人的信中最早提及了热功当量。他说：“对于我的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这个问题：某一重物（例如100磅）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得的运动量正好等于将一磅0℃的冰转化为0℃的水所必要的热量。”141842年3月，迈尔写了一篇短文《关于无机界的力的看法》寄给了《药剂学和化学编年史》的主编、德国化学家李比希（JustusvonLiebig,1803－1873），李比希立即答应使用这篇文章。机械的热功当量在这篇文章中得到第一次说明。文中说：“人们发现，一重物从大约365米高处下落所做的功，相当于把同重量的水从0℃升到1℃所需的热量。”他的文章发表于1842年5月。15迈尔是最早进行热功当量实验的学者，在1842年，他用一匹马拉机械装置去搅拌锅中的纸浆，比较了马所做的功与纸浆的温升，给出了热功当量的数值。他的实验比起后来焦耳的实验来，显得粗糙，但是他深深认识到这个问题的重大意义。他在1842年底给友人的信中说：“我主观认为，表明我的定律的绝对真理性的是这种相反的证明：即一个在科学上得到普遍公认的定理：永动机的设计在理论上是绝对不可能的（这就是说，即使人们不考虑力学上的困难，比方说摩擦等等，人们也不可能成功地由思想上设计出来）。而我的断言可以全部被视为从这种不能原则中得出的纯结论。要是有人否认我的这个定理，那么我就能立即建造一部永动机。”16迈尔的论文没有引起社会重视，为了补足第一篇论文没有计算、过于简要的缺点，他写了第二篇论文，结果如石沉大海，没有被采用。他论证了太阳是地球上所有有生命能与非生命能的最终源泉。后来亥姆霍兹与焦耳的论文相继发表，人们将能量守恒定理的发明人归于亥姆霍兹与焦耳。而他的论文既早又系统，却不仅得不到承认，而且还招来了一些攻击文章。再加1848年，他祸不单行，两个孩子夭折、弟弟又因参加革命活动受牵连。1849年，迈尔从三楼跳下，从此成为重残，而后又被诊断为精神分裂，送入精神病院，医生们认为他经常谈论的那种新发现，是一种自大狂的精神病症状。迈尔的首先发现能量守恒定理，一直到1862年才得到社会公认。17亥姆霍兹与他的《论力的守恒》亥姆霍兹（HermannvonHelmholtz,1821－1894）出生在一个德国的穷教员家里，1838年，17岁的亥姆霍兹尽管在中学入学考试中获得十分优异的成绩，可是因为交不起学费而只好去作军医达8年之久。1842年亥姆霍兹获得了博士学位。1845年他参加了由年轻的学者组织的柏林物理学协会，之后他经常参加协会活动，除作军医之外他还研究一切他感兴趣的问题。181847年7月23日他向物理学协会作了题为《论力的守恒》的著名报告。报告后，他将文章交给《物理学编年史》的编辑，不料又和6年前迈尔的稿件一样的命运，编辑以没有实验事实而拒绝刊登。后来他将这篇论文作为小册子在另一家有名的出版社出版了。文章的结论与1843年焦耳的实验完全一致，很快就被人们称为“自然界最高又最重要的原理”。时间仅差数年，又由于有有名的出版社出版，他与迈尔的命运完全不同。后来英国学者开尔文采用了杨所提出的能量的概念，采用“势能”代替“弹力”，以“动能”代替“活力”，使在力学中延续了近200年的概念上含混不清的情况得到改变。19亥姆霍兹在德国科学家发展中所起的组织作用。1870年，他的老师马格努斯（HeinrichGustavMagnus,1802－1870），德国最早的物理研究所所长，逝世了。当时还是副教授的亥姆霍兹继任为所长。那时，德国的科学研究水平，比起英国与法国要落后得多。不久普法战争结束，德国从法国得到一大笔赔款，德国的经济状况有所改善，亥姆霍兹得到了300万马克的经费去筹建新的研究所，经过5年的努力新研究所建成。这个研究所后来吸引了大批优秀的年轻学者，而且它的研究课题同工业的发展紧密联系，后来形成德国科学研究的一个十分好的传统。

20亥姆霍兹HermannvonHelmholtz

1821－189421

焦耳的热功当量实验

焦耳（JamesPrescottJoule,1818－1889）是一位英国富有的酿造商之子，他的经济条件可以提供他终生做研究工作。焦耳自幼身体虚弱，脊柱曾受过伤，因此他一心读书研究，他父亲为他提供了一个家庭实验室。1835年他认识了曼彻斯特大学的教授道尔顿，受到过后者的指导，焦耳的成功主要是靠自学的。焦耳对数学的知识很少，他的研究主要是靠测量。1840年他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。他将这一定律写成一篇论文《论伏打电生热》。22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，1843年他发表了论文《论水电解时产生的热》与《论电磁的热效应和热的机械值》。特别在后一篇论文中，焦耳在英国学术会议上宣称：“自然界的能是不能毁灭的，那里消耗了机械能，总能得到相当的热，热只是能的一种形式。”此后焦耳不断改进测量方法，提高测量精度，最后得到了一个被称为“热功当量”的物理常数，焦耳当时测得的值是423.9千克米/千卡。现在这个常数的值是418.4。后人为纪念他，在国际单位制中采用焦耳为热量的单位，取1卡＝4.184焦耳。23焦耳

JamesPrescottJoule

1818－188924焦耳的热功当量实验示意图

25§2蒸汽机的发明与应用26随着机器的广泛采用，金属的需要大量增加。而冶炼金属不仅要开挖金属矿，还需要大量煤。1533年英国煤产量为20万吨，到1640年激增到150万吨。英国的生铁冶炼也随着大量增加，1780年为10万吨，1800年为25万吨，到1820年增加到43万吨。27采矿工业的发展，产生了矿井排水问题。1698年英国人托马斯·塞维利（ThomasSavery,1650－1715）发明了利用蒸汽压力的抽水泵――“矿山之友”，并且报了专利。它的工作过程是：在容器中通入蒸汽，使蒸汽在容器中凝结，利用蒸汽凝结后所形成的真空把矿井中的水抽上来。这种泵有两大缺点，一方面是对地下水位较低（低于水泵10m）时就抽不上水，另一方面是由于突然进入容器的蒸汽压力过高而易于爆炸。因此很少被采用。281712年，英国人托马斯·纽可曼（ThomasNewcomen,1663－1729）发明了大气压蒸汽机。这种机器具有汽缸与活塞,在工作时,先把蒸汽导入汽缸,这时汽缸停止供汽而汽缸内进水,蒸汽便遇冷凝结为水使汽缸内气压迅速降低，就可以使水吸上来。之后再把蒸汽导入汽缸，进行下一个循环。最初的这种蒸汽机大约每分钟往返十次，而且可以自动工作，使矿井的抽水工作大为便利，所以不仅英国人使用，在德国与法国也在使用。

早期的蒸汽机29钮可曼

的

蒸汽机30用于

矿山

抽水

的

蒸汽机31瓦特对蒸汽机的改进蒸汽机不是瓦特的发明，瓦特的贡献是对蒸汽机进行了一系列改进。

其中最重要的改进有两项，一项是发明了冷凝器大大提高了蒸汽机的效率，另一项是发明了离心调速器使蒸汽机速度可自由控制。在瓦特的改进之后蒸汽机才真正在工业上被普遍使用。32英国人瓦特（JamesWatt,1736－1819）的父亲作过木匠，由于父亲的影响，他从小熟悉一些机械知识与工具的使用。瓦特幼年时体弱多病，不能上学，由他母亲教他读书写字。18岁后他到伦敦一家钟表店当学徒，在业余时间还努力学习。1756年瓦特返回家乡苏格兰,打算自己开业制造机器。但是由于他当学徒的年限不够，按照当地政府的规定，不能独立开业。于是他只好在格拉斯哥大学谋得一个修理与制做教学仪器的工作。33瓦特JamesWatt

1736－1819

341763年，格拉斯哥大学的一位教授委托瓦特修理纽可曼蒸汽机的模型，瓦特当时对蒸汽机所知不多，他便边学边修，并且对蒸汽机产生了浓厚的兴趣。蒸汽机的模型很快就修好了，他从此与蒸汽机结下了不解之缘。他进一步的研究发现，纽可曼的蒸汽机效率很低，耗费蒸汽太多。为了解决这个问题，瓦特对不同气压之下的水的沸腾现象进行了大量研究。他发现水在大气压之下变为蒸汽时，体积扩大了1800倍。进一步的研究发现，纽可曼的蒸汽机效率之所以低是由于在用水去冷却汽缸时，汽缸的温度变冷了，这样汽缸又要消耗过多的蒸汽去再加热。351765年5月瓦特提出了使蒸汽从汽缸排入另一容器的想法，这个容器后来被称为冷凝器。经过反复试验与改进，他的装有冷凝器的蒸汽机在1769年制成了，并在同年的4月25日提出了专利。新的蒸汽机效率提高了很多。36瓦特的另一项重要发明是在蒸汽机上安装了离心调速器，这大约是1782年前后的事情。这种调速器的构造是利用蒸汽机带动一根竖直的轴转动，这根轴的顶端有两根铰接的等长细杆，细杆另一端各有一个金属球。当蒸汽机转动过快时，竖轴也转动加快，两个金属小球在离心力作用下，由于转动快而升高，这时通过与小球连接的连杆便将蒸汽阀门关小，从而蒸汽机的转速也便可以降低。反之，若蒸汽机的转速过慢，则竖轴转动慢了，小球的位置也便下降，这时连杆便将阀门开大，从而使蒸汽机转速加快。离心调速器是一个基于力学原理的发明，他是蒸汽机所以能普及应用的关键,也是人类自动调节与自动控制的开始。由于人们能够自由地控制蒸汽机的速度，才使蒸汽机应用于纺织、火车、轮船、机械加工等行业，才使人类大量使用自然原动力成为可能，这才有产业革命的第二阶段。37瓦特的调速器38瓦特的蒸汽机39瓦特因为改进与提高蒸汽机效率的需要，研究了功率的单位。1783年，他对一匹健壮的马进行了实测，确定它在一秒钟内能将150磅的重物提高约不到4英尺。因此他把一马力规定为550英尺磅。他是最早引进功率概念的人，后人为了纪念他，将公制的功率单位称为瓦特（每秒钟一焦耳）。40应当说，瓦特改进蒸汽机的成功，除了他自己的勤奋之外，他幸运地遇到了热情赞助者也是重要条件。在格拉斯哥大学时，他结识了当时在大学当教授的布拉克（JosephBlack,1728－1799）。布拉克是一位很有名的化学家与物理学家，在物理学上，他从1764年开始对热现象进行了系统的研究。他最早发现了水在相变时，即当由冰化为水或由水化为汽时，要吸收大量的潜热，从而分清了温度与热量是两个不同的概念。瓦特从他那里不仅得到了学识上的帮助，他的热力学知识与力学知识为瓦特改进蒸汽机提供了理论基础，而且他借给瓦特一大笔钱，为瓦特的研究提供了经济支持。在瓦特的研究初具眉目时，瓦特又遇到了一位独具慧眼的商人波尔顿（MatthewBoulton,1789－1864）投资，1775年成立了波尔顿－瓦特公司专门生产蒸汽机。41布拉克JosephBlack

1728－1799

42波尔顿MatthewBoulton

1789－186443瓦特的改进蒸汽机的普及速度是很快的，到1790年老式的纽可曼蒸汽机已经看不见了，到1790年大约有500台蒸汽机在英国工作。经过了大约不到100年，到了1868年，仅仅在英国就有75,000台蒸汽机之多。1805年，在美国蒸汽机被装上了汽车作为动力。1807年，美国的富尔顿（RobertFulton,1765－1815）发明以蒸汽机为动力的轮船。44富尔顿RobertFulton

1765－1815

45461825年斯梯文森（GeorgeStephenson,1781－1848）造成了可以在轨道上行驶的蒸汽机车。1800年英国的特里维希克（RichardTrevithik,1771－1833）发明了高压蒸汽机。1801年美国人埃文思（OliverEvens,1755?－1819）造出了真正合用的高压蒸汽机。（合10个大气压）47斯梯文森

GeorgeStephenson

1781－18484849特里维希克RichardTrevithik

1771－1833502001年4月28日纪念特里维希克51狄塞尔的内燃机德国人狄塞尔(RudolfDiesel,1858-1913)曾花费10年多研究活塞式内燃机，写了一本小册子，并且获得了专利。1893年狄塞尔造出了第一台样机。这种内燃机的优点是：可以烧便宜的重油；不需要点火系统。缺点是噪音大。52狄塞尔

Rudolf

Diesel

1858-191353狄塞尔

的内燃机54内燃机的运动过程5556§3热力学第二定律57热力学第二定律在热力学中，热力学第一定律，即前面所说的能量守恒定律的发现是与关于永动机的研究紧紧相联系着的。而热力学第二定律的发现则是和改进与提高蒸汽机的效率紧紧联系着的。最早从理论上讨论蒸汽机的热效率的是法国人卡诺（NicolasLéonardSadiCarnot,1796－1832）。卡诺出身于法国的望族，他的父亲是法兰西第一共和国拿破伦一世政府的重要官员，他的侄儿后来在法国第三共和国中担任了总统，而他却没有从政，成为一名科学家。不幸的是他在36岁时便死于流行霍乱。58卡诺NicolasLéonardSadiCarnot

1796－183259瓦特改进了蒸汽机后，尽管效率有很大提高，但是仍然很低。，在卡诺的时代，只有4－5％。卡诺为热机产生的功率问题所吸引，他从一般的观点提出问题：一架热机的效率最大能达到多大？在1824年出版了他的研究结果，题为《论火的动力》小册子。这也是他一生中唯一的科学著作。60卡诺的结论是，热机的最高效率取决于热机内的温度差。对于一般的蒸汽机来说，令是蒸汽的绝对温度，是冷凝器的绝对温度，则热机所能达到的最大效率为。这个式子说明，热机的效率只取决于这里的两个温度，而与热机使用的是什么介质，是水、是空气无关，也与在热机中的温度是怎样变化的，是快、是慢，是均匀、是不均匀无关。卡诺的研究结果表明，热量从高温物体向低温物体的趋势使我们不可能从给定的热量获取最大的机械功。这便是后来称为热力学第二定律的内容。61在卡诺的结论提出后的20年，德国的物理学家克劳修斯（RudolfJuliusEmmanuelClausius,1822－1888）于1865年提出了“熵”的概念。他把熵的改变定义为与从温度为的物体传出的热量之间有关系。当同样多的热量由另一温度为的物体所吸收时，该物体的熵改变。这样，如果低于，则两个物体的熵改变将是正的。仅当两个物体的温度相同时熵改变才为零。也就是说，温度总是从高到低传播，和在变化过程中熵总是增加是等价的。这就是热力学第二定律的一般表述。换句话说，在任何变化中，孤立系统中的熵总是趋于增加的。62克劳修斯RudolfJuliusEmmanuelClausius1822－188863熵增加的观点，说明宇宙之间的物理变化是有方向的，它不像经典力学中的运动方程中将时间改变符号同样可以求解。关于宇宙间的过程是不可逆的这一点，1874年英国物理学家W.汤姆逊有一段话说得好：“假如宇宙中每一个粒子的运动在某个任意的时刻都正好逆转过来，那么从此之后自然界的过程将永远沿着完全相反的方向进行。瀑布在其底端溅起的泡沫将会重新聚集并落入水中；热运动将会重新聚集它们的能量，使落下的水滴重新组成一股上升的水流。由固体互相摩擦而产生、因传导、辐射及吸收而消耗的热，将会复返固体相接触的地方，并使运动物体抵抗它先前受到的力作反向运动。泥土将会变成砾石，砾石将会恢复它们原来参差不齐的形状，最后重新将会成原先它们由之而碎裂的山峰。而且，如果关于生命的唯物主义假说是正确的，那么生命将返老还童，它们所记忆的是将来而不是过去，最后变成未出生时的状态。但是，真实的生命现象无限地超出人类科学的能力；关于它们的逆转过程的后果假想的推测是完全无益的。”[1]

[1]

(美)G.Holton著，张大卫等译，《物理科学的概念和理论导论》，上册，人民教育出版社，1983，第425－426页64蒸汽涡轮机的发明帕森斯（C.A.Parsons1854-1931

）早年曾在杜柏林大学和剑桥大学学习数学。他的数学才能帮助他处理汽轮机有关的力学问题。帕森斯1884年制成功率为7.5千瓦转速为18000转/分的汽轮机。1897年，他又用自己制成的汽轮机驱动轮船，时速达到每小时64公里。1889年成立帕森斯公司专门制造汽轮机发电机组。到1926年帕森斯公司制成多极双排气装置的汽轮机功率达3万千瓦。到20世纪50年代可以达到入口汽温达到560°C。到20世纪70年代已经可以生产70万千瓦的汽轮机发动机。65帕森斯

Sir

C.A.Parsons

1854-193166现代的汽轮机转子6768水轮机69燃气轮机流动示意图70§4

电和电机71电和发电机法拉第(MichaelFarady,1791-1867)是伦敦铁匠的儿子。13岁在伦敦的一家公司当差.后在一家装订厂当学徒到21岁时作为戴维(HumphryDavy,1778-1829)的实验室的助手。1831年10月17日，法拉第发现当磁棒从线圈内抽出或插入时，线圈的导线上会有电流通过。72法拉第MichaelFarady

1791-186773发电机的发明后来法拉第继续进行实验以达到能够作出实际可供应用的发电机。真正可供应用的发电机是德国物理学家雅可比(MoritzHermannvonJacobi,1801-1872)于1838年制成的。1847年雅可比成为彼得堡院士，这使他有条件更好、更复杂的电机。德国西门子（WernervonSiemens,1826-1901）研究出自激发电机原理，并于1867年写出了论文。74西门子WernervonSiemens1826-190175爱迪生

Thomas

Edison

1847-193176爱迪生77交流电机1882年法国化学家、物理学家吕西安•戈拉德（LudienCaulard,1850-1888）申报了交流“电流二次发生器”的专利。1882年特斯拉（NikolaTesla,1856-1943）发明了交流多相异步电机。19世纪末，他又发明了交流变压器，解决了远途输电的问题。终于以交流电打垮了爱迪生对直流电的垄断。78特斯拉NikolaTesla

1856-1943

79马克斯威尔的工作马克斯威尔（JamesMaxwell,1831-1879）出身于苏格兰的望族。从小显示了数学才能。1850年入剑桥大学。毕业时为全班数学第二