六、永动机的宿敌——能量守恒定律

要知道，在追求懒方面，人类可谓孜孜不倦，最经典的要数试图造一种机器，往那儿一放，不烧燃料就能帮我们干活，也就是第一类永动机。

到今天，都还有人没放弃，妄图实现不上班就拿钱这种事。

现在一说到永动机，大家想到的结构只有一种，那就是——

虾扯蛋

但你知道人类花了多大力气才发现这东西很扯淡吗？也正是钻研这个扯淡的东西，热力学才能不输给化学物理，迎来自己在科学上的进步。本章混子哥就给大家讲讲—— 想要永动机，咋还得出了能量守恒？

Part 1　我想要台永动机

早在13世纪，就有人认认真真搞永动机，搞出来的造型也是千奇百怪。

他们都想达到根本停不下来的效果，但最后嘛……

就连达·芬奇也研究过这玩意儿，几次碰壁后，他得出个结论：

但至于为什么不可能，达·芬奇也说不出个一二三，所以没法阻挡后人探索永动机的热情。

后来蒸汽机横空出世，大家一看，好猛啊，只要给它加热，连火车都能带跑!

可无论怎么猛，都得烧煤啊，多不节能环保!于是就有人动了小心思：

要想让蒸汽机变成永动蒸汽机，就得从根源入手，杜绝热的输入。那么问题来了：

热是啥玩意儿呢？

不是吧，你不会觉得热就是温度吧？

Part 2　此热非彼热

一说到热，手就立马伸向空调遥控器，再往沙发上一摊，冰激凌一吃，完全不把窗外的太阳放在眼里。

那咋知道太阳底下多热、空调底下多凉快呢？答案是你得有个神器：

17到18世纪，很多人发明了测量温度的方法，瑞典人摄尔西斯就是其中之一。

小摄把冰水混合物的温度设定为0度，烧开的水定为100度，再把中间分成一百份，这样就得到了温度的计量标准。

为了纪念他，这种温度单位就叫摄氏度。

摄氏度毕竟是人为设定的，太任性，后来开尔文勋爵用绝对零度为起点，建立了更科学的开尔文温度。开氏度=摄氏度+273.15。

虽然温度能测量，但人们发现温度只能表明你的冷热，不能解释物体之间热的传递过程。

比如两块煤都挺烫手，温度相同：

但块头不同，加热的效果就不一样。

也就是说，温度和热量其实是两回事，同样的温度，能热出不同的效果。

那热量不是温度又是啥呢？

Part 3　热量是一种物质吗

以前条件不行，人们理解世界的方式比较直观，说白了就是用眼瞅，然后连蒙带猜，最后总结。

在观察热的时候，有人就大胆设想，觉得热好像是个东西，藏在物体里，还能流出来。

于是在1783年，英国化学家普里斯特利提出了一种理论—— 热质说

意思就是，热是一种看不见的物质，藏在物体里伺机而动，哪天物体表面一裂开，它就蹿出来给你温暖，从高温处流向低温处。

热量喷薄而出的感觉，就像——

18世纪时，热质说相当火，著名化学家拉瓦锡还把热质列入元素表中。

但很快有人发现了热质说的漏洞。

这个人叫伦福德，在兵工厂上班。他给炮筒钻孔时，发现只要一直摩擦，炮筒就能一直发热。

他突然想到，铁根本没裂开，没流出热质，可咋就这么烫了呢？

摩擦生热，这赤裸裸的现实，直接让热质说站不住脚，这才让大家觉得热质说不靠谱。

虽然热质说不对，但到今天，它的影响仍在，你听，一大拨小姐姐还在呼喊它的名字：

热质(caloric)这个词后来演变出了卡路里(calorie)，四舍五入也算是为流行文化做了贡献。

关键是确定热质说不靠谱之后，大家还是没明白，摩擦和热有啥关系呢？

Part 4　摩擦的奥秘

解开这个谜团的，就是传说中的焦耳。

焦耳小时候没有受过正规教育，但他比较幸运，遇到了化学家道尔顿。在道尔顿的引导下，焦耳学会了搞科学实验。

成年后，焦耳经营自家的啤酒厂，生意做得风生水起，但他并没放弃搞科研。

为了探究摩擦生热的真相，焦耳发挥特长，动手做了实验。

在探究实验前，咱首先得明白一个概念：啥是做功？

一个力让物体在施力方向上移动了一段距离，我们就说这个力对物体做了功。

做功在生活中随处可见。

比如老王去搓澡，师傅用30年的功力给他搓背，那就是对老王的美背做功。

所以，摩擦可以做功。那做功和热又是啥关系呢？

做实验时，为了方便测量做功的多少，焦耳请了一位免费的大神帮忙：

重力

重力逮着谁都往下拉，苹果掉地上，就是因为重力。

知道物体多重和下落多高，就能算出重力做功多少，So easy。

为了把做功和热扯在一起，焦耳研发了一套装置：

重物通过绳子，与隔热杯里的叶片连接。

然后，焦耳开始了他教科书级的实验。

在重力作用下，重物下落带动叶片转圈圈，搅动水，这一摩擦，就引起水温升高。

通过重物下落可以测做功多少，通过水温升高可以测热量。经过多次实验后，焦耳最终得出结论：

这就是著名的热功当量实验。

实际上当时的实验条件有限，具有一定的误差。

更精准的换算是：1卡=4.184焦。

实验证明，热不是物质，而是一种能量。热和做功其实是一回事，只不过造型不同。

时至今日，人们仍习惯用卡路里表示热量，但在国际单位制中，热量和功都用焦耳做单位，所以要想“国际范”一点，小姐姐们应该喊：

这个实验够经典够劲爆吧？但当时英国皇家学会根本不理他。

因为当时焦耳还只是个科研爱好者，人家觉得他太业余，拒绝刊登他的论文。

1847年，在英国科学促进年会上，焦耳瞅准机会做报告，但只能口头讲述。

正是这场脱口秀，让他圈粉不少，其中有个大佬连连点赞，就是前面说的开尔文。

随着物理学发展，焦耳实验也受到更多关注与认同，后来有个叫亥姆霍兹的科学家，对实验做了系统总结。

能量不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式。

或者从一个物体，转移到其他物体。

在转化过程中，能量总量保持不变。

这就是传说中的能量守恒定律，也叫热力学第一定律。

实际上，同时期其他科学家也提出类似的理论，例如德国的迈尔，他最早发表了相关论文，焦耳的实验为理论提供了完整的实验证据。

那这一定律和永动机有啥关系呢？

其实能量守恒说明了一个道理：水是有源的，树是有根的，万事万物都是有原因的，比如：

一切都是有源头的，在地球上，万物生长靠太阳，要想输出，就必须有输入。

所以说第一类永动机，从根本上就是不存在的。

但是，人的想象力可能不那么守恒。

虽然第一类永动机彻底玩儿完，但又有人天马行空畅想，提出了能够不违背能量守恒定律的第二类永动机。

第一类不行，第二类靠不靠谱呢？

我们下章接着讲：《百分百热机哪里找》