第8节热功

功就是力外因对物体作用的效果状态累计。一桶水置于地面，地球对水有重力作用，但是水的位置不变，状态没有发生变化，则重力对水没有做功。提一桶水匀速前进，首先克服水的重力，剩下的力才是对水做功。水由静止进入匀速前进的过程中，力对水的状态有改变。当水匀速前进时，状态又不变了。那么此时就没有做功。很费力气地把水提行长距离，但做功就在刚刚开始提水的时间段。那么人费的力气做什么了？都在克服阻力去了，匀速前进阶段，水本身受力的总和为0！

精确地描述功，就是物体在力的方向上前进的距离才算是力对物体作用的效果。如果力对物体进行作用，但是物体并没有在力的方向上有位置变动，则意味着一定存在什么因素，使得这个力劳而无功。那么功力距离乘法就等于多个加法的进行，就是功的累计过程。功的衡量单位是以英国人焦耳的名字命名。

愚公移山，只要愚公有足够的时间，他一个人就可以解决这个问题。但时间永远是个问题。为了反映功的效率，就必须同时考虑功和时间。为此提出功率这个概念，就是一定时间内做的功。这个就容易衡量对物体作用的能力大小。那么功率功时间。功率的衡量单位是以英国人瓦特的名字命名。这多么英国人的名字出现不奇怪，毕竟工业革命是从英国开始，日不落帝国是依靠实力实现的，不是自我催眠的结果。

瓦特的单位太小，一般使用千瓦做功率单位。马力也是常用功率单位，1马力735瓦特。俗语也常用马力作为功率的代名词，比如说汽车马力大不大。100瓦大概是什么概念呢？现在健身比较流行，健身器材中哑铃有重有轻。100瓦相当于1秒内把10公斤重的哑铃举高1米。某个人身高18米，体重90公斤，深蹲在地上，1秒内站直，则双腿的功率大约是900瓦。

功可以产生热，比如钻木取火。热可以产生功，比如蒸汽机。是否可以认为热和功其实是同一现象的不同体现呢？从分子的角度开看待这个问题。力作用在物体上，物体在力的方向上产生一定速度前进，物体内各分子本来都在运动，现在物体本身在运动，相当于分子在原运动的基础上又向力的方向运动。热是分子运动的综合。吸收热意味着分子运动速度加快，散发热意味着分子运动速度降低。那么功产生热其实是分子运动中的定向运动物体速度消失，转化为分子各自运动速度加快。热产生功则是分子运动速度降低，却带来了整体定向运动。

焦耳花了很多年时间检验热和功的关系，试图找出双方的定量关系。最终验证了功产生热的关系：418焦耳功1卡热，称为热功当量。

为了统一热和功的形式，我们换一种说法，热和功都是能量的外在形式，本质都是能量功和能量在形式上相同，但有些区别。能量是物体具有的某种性质，功是物体做出的某种性质。换而言之，能量是物体所有，功是物体所为。热和功的转换，意味着能量转换，能量总和保持不变。称之为能量守恒。

功有多种存在形式，常见的就是势能和动能。势能就是位置变高，导致在回复原位置时可以产生动能。势可以理解为潜在的，势能就是潜在的、存储起来的能量。蓄势待发正说明了势能的作用。动能则完全是功基本定义的直接结果，因为力的作用使得物体运动，物体的惯性运动蕴含的能量完全等于力作用的积累。

思考：

1月球绕着地球转，月球的前进方向和地球引力始终垂直。地球引力虽然改变着月球的状态月球的前进方向一直在变，却没有作出任何功。忽略的太阳木星等星体对月亮的影响，那么月亮的环绕从来就没有被地球改变过。事实上月亮绕地球是椭圆轨道，在某个轨道阶段地球引力会轻微地做功，但最终月球的势能动能总和不变。

2机械时代的怀表或手表，都有上弦过程，这是在存储弹性势能。势能缓慢地释放成表的指针运动和内部机械运动动能。后期出现自动储能结构，手表在手臂晃动中存储动能，免去了上弦的步骤。

3现在水电站非常多，刨去生态破坏和地质破坏因素外，这个是很绿色的能源。水库蓄水存储了大量重力势能，放水发电则是势能转为动能再转为电能。现在电力需求在不同时间差异很大，白天到晚上10点，电力供应紧张，深夜电力需求很小。现在可以使用势能存储办法来改善这种情况。深夜时，耗电抽水至水库，把电能存为势能。白天放水发电，将势能转为电能，补充电网。在自然界，大河周围存在许多湖泊。在洪水季节，湖泊可以大量蓄水，降低洪涝灾害程度。旱季又可以补充河水，是天然的弹性结构。

4燃烧同重量木柴和火药，木柴释放的热量更大。但是火药可以瞬间把能量释放出来，虽然总能量不大，瞬间功率非常大。天空中的闪电，总能量不大，但也是瞬间释放，功率同样非常大。照相机的闪光灯，充电完成后就可以发出强光，进行拍摄。核电站的原子能释放功率巨大，必须增加大量附属设施降低功率。

5能量守恒，得到能量的同时，意味着其他地方在失去能量或能量的等价对象。砍伐树木烧火，获得热能，每年树木都在生长。树木的生长能量来自太阳。事实上，在地球上的任何可持续使用的能量，都是太阳能的转换。原子能不是来自于太阳，是来自于以前的恒星爆炸遗迹。这些遗迹的残渣组成了地球，也就是说原子能来自于其他已经消失的太阳。

6能量存在的形式多样，热能、机械能、化学能、原子能、电磁能都是能量的不同形式。人工的某种能量转换过程，总是伴随着其他类型的能量转换。发电方式包括了多种能量转换方式：热能转电能，有热电、机械能转电能，有风电、水电、原子能转电能，有核电，电磁能转电能，有太阳能发电，化学能转电能，有燃料电池发电。无论哪种方式，能量转变为电能的效率达不到100。多数都以热能的形式散发到大气中。自然的能量转换不存在这样的目的性。所以就没有效率这样的标准。

热功当量表明，418焦耳的功可以转换为1卡的热量，但是并不意味着1卡热量可以转换为418焦耳功！热只对应分子运动速度，但对整体运动方向无要求。功却是要求运动整体有方向。要求更高。简单地说，功比热更有序，破坏比创造容易。

法国人卡诺仔细研究热转功的问题，给出了理想热机的效率计算公式。即便是理想热机，效率也无法到100。更不要说实际的热机，效率只会更低。人类设计了若干热机，将热转为功。

最早就是蒸汽机，使用燃料加热水，生成高压蒸汽推动活塞产生定向运动。活塞带动一根摇臂轴和曲壁将往复运动转换为旋转运动。现在只能在博物馆见到的蒸汽机火车头，就是这类机械的应用。在军事竞争下，出现多胀式蒸汽机，高温蒸汽通过多个汽缸做功，提高了效率和功率。十九世纪末期，当时军舰采用多胀式蒸汽机做动力。随之出现了汽轮机蒸汽涡轮机，高压蒸汽直接喷在涡轮上的叶片想象风车的叶片，产生旋转运动。功率可以做得非常大，二十世纪初应用于军舰动力，现在多用于热电厂。核电厂发电，也是使用汽轮机进行。事实上，核动力航母、潜水艇，都是使用汽轮机为动力，而核反应堆无法产生动力，本质就是超大功率的锅炉，只能产生高压蒸汽。内燃机，采用汽油、柴油、可燃气体等，在气缸内直接燃烧生成高温高压气体推动活塞运动，略过了加热水生成高压蒸汽的过程，效率比蒸汽机高。由于体积小，功率适中，广泛应用于汽车工业，早期飞机也采用这类型发动机做动力有一种内燃机，旺凯尔发动机，可以直接产生旋转运动。由蒸汽机改为汽轮机的思路出发，内燃机改为燃气轮机。这种机械体积小，功率大，推重比高，用于飞机动力。火箭发动机则是原理最简单的喷气推进动力机械。燃料燃烧产生高温高压气体直接喷出，推动火箭前进。

原理完全不同的热功转换装置：燃料电池。这种温和燃烧发生在质子膜上，并没有高温产生，直接转换为电力，是研究的热点。早在50年前就在宇宙飞船上使用，目前已经商业化。

机械名称燃料工作方式驱动方式动力转换功率

蒸汽机煤、重油燃烧加热水产生高温高压蒸汽蒸汽驱动活塞产生定向运动定向&;旋转大