從蒸汽機到熱力學

早期工業革命的動力機有兩種,水車和蒸汽機。水車主要用在紡織工業,設在溪流旁邊。但礦場通常距離水力遠,礦坑抽水是個困難工作。蒸汽機的發明提供了這實際問題的解決方法。一個明顯的工程問題是改進蒸汽機的效率。英國人不斷的透過機器設計改進増加其效率。但是到了隔海的法國,卻提出了理想熱機的效率之極限的抽象問題。卡諾把”熱機由熱推動”和”水車由水推動”做平行類比,而做出理想熱機的效率的研究。發現理想的可逆熱機的效率和熱機所用的材料無關,而只和上下兩個溫度有關。這項偉大的思想跳躍成了熱力學的基礎。

撰文:高英哲

工業革命的動力機,以水車和蒸汽機為兩大主力。水車主要用在紡織工業,設在溪流旁邊;但礦場通常欠缺可供利用的水力,因此主要得靠蒸汽機來負擔礦坑抽水的工作。瓦特等英國人著眼於改良蒸汽機的設計,試著增加其工作效率,而卡諾等法國人卻去思考一台理想的熱機,其效率極限何在的問題,這樣的思路最終奠定了熱力學的基礎。本講次為觀眾介紹熱力學的發展歷程。

熱力學第一定律,敘述一個孤立系統的內能變化量,等於功與熱的變化量總和;換言之,能量可以以功或熱的形式,傳入或傳出系統。我們今天回頭來看,會覺得這不就是能量守恆的概念嗎,道理顯而易見;不過當年人們之所以遲遲無法領悟到這點,主要是因為他們對於什麼是「熱」,一直拿捏不到要領。

18 世紀的主流論述是「熱質說」,也就是把熱想像成一種無重量的流體,在流動時造成熱的變化。熱質說有它好用的地方,但它既然把熱設想成一種物質,就很難把熱跟不是物質的功,擺在同一個方程式裡頭。一直要到 1845 年,焦耳進行熱功當量實驗,確定熱跟功之間可以互相轉換的數學關係之後,人們才得以突破熱質說的窠臼,進而確立了熱力學第一定律。

描述熱力學過程不可逆的熱力學第二定律,則是源自於常被譽為熱力學之父的卡諾 (Nicolas Léonard Sadi Carnot) ,在 1824 年提出的卡諾定理。他把紡織工廠用水推動的水車,跟礦坑用熱推動的熱機,兩者之間做了一個非常精闢的對比:水車用水位的高低差做功,熱機則是靠溫度的高低差做功,因此理想的最大熱效率,只跟高低溫這兩個溫度有關。

卡諾據此假想出一個可逆循環:一個系統由引擎跟冰箱構成,引擎從高溫熱庫吸收熱量,系統把熱全部拿去對環境做功;冰箱則是環境對系統做功,把熱從低溫處移到高溫處。倘若這樣的可逆循環存在,就可以製造出人們夢寐以求的「永動機」,然而現實中的熱機都是以不可逆循環進行運轉,因此在沒有外力介入的情況下,現實中沒有任何熱機能夠達到卡諾熱機的效率。

卡諾這些抽象化的思考,說的其實就是熱力學第二定律:在沒有其他變化的情況下,把熱完全轉變成功的完全熱機不存在,把熱從低溫處傳導到高溫處的完全冷機也不存在。雖然卡諾當年的設想是以錯誤的熱質說為基礎,但他結合實際生活經驗的抽象推理過程,足堪稱為科學思考的典範。蒸汽機在英國蓬勃發展,當時領先法國數十年之遙,然而由蒸汽機衍生而成的熱力學理論,卻是在擅於進行抽象思考的法國學界萌生。寸有所長,尺有所短,不同的社會底蘊,產生的文明結晶也就各有千秋。

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日期: 2017.10.31 主題: 蒸汽機與熱力學 地點: 臺灣大學思亮館國際會議廳