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2.海邊的漁民在潛水時經常會得潛水病。在潛入海中四十米后，氣壓增加到五個大氣壓，空氣中的氮氣大量溶解進入血液中。當浮出水面時，氣壓恢復標準大氣壓，則血液中的氮氣大量逸出，形成氣泡，堵塞毛細血管，尤其是腦部，引起身體障礙。治療這種疾病，就讓病人進入高壓氣室，這樣氮氣泡又慢慢溶解進入血液。等身體無礙后，緩慢降低壓力，讓氮氣慢慢逸出體內，最后可以恢復正常。軍隊的潛水員則呼吸氧氣和氦氣的混合氣體，氦氣的分子是單原子，溶解度隨壓力基本不變，因此可以自如地在海中上下。但是氦氣很貴，一般人用不上?？諝庵械暮夥浅Ｉ伲I獲取氦氣是從存在放射性元素衰變產物的天然氣中提取。氦氣的密度僅大于氫氣，并且不可能燃燒，是安全的氣球的填充氣。德國制造齊柏林飛艇，由于無法從美國進口到氦氣，故使用氫氣填充，最后因氫氣泄漏燃燒發生災難。

3.鹽是人體必需的物品。鹽在水中的溶解度隨著溫度增高變化很小。而和鹽伴生的硝隨著溫度增加溶解度大幅度增加。早期海邊產鹽（滿清以前）是用火加熱大鍋海水，讓鹽結晶。后期是置海水于淺池中，讓太陽暴曬，大量的鹽就結晶而出。內陸的鹽池也同樣如此，可以夏天產鹽，并且冬天可以產硝。

4.硝石（硝酸鉀，智利硝石：硝酸鈉，挪威硝石：硝酸鈣，芒硝：二水硫酸鈉）溶解于水，吸收大量熱，因此可以用來制冰。古代埃及和中國都使用過這種方法。

5.汞，常溫下液態，俗稱水銀?？梢匀芙獯蠖鄶到饘佟９芙忏y后形成的合金，用于補牙填充。古代的鎏金技術就是使用汞溶解金，涂抹在器物表面，再加熱令汞揮發。最后打磨成型。

6.鐵、鈷、鎳的化學性質接近，都可以吸收一氧化碳。一個原子配四個一氧化碳分子。大家可以計算一體積鐵可以吸收多少體積的一氧化碳。

二十世紀開始后，物理學進入一個新的階段。原子本認為是不可再分，陰極射線實驗發現電子，證明原子內部還有其他結構。最終認定原子中心是原子核，帶正電，周圍是電子環繞，帶負電。類似于地球環繞太陽的情況。電子以接近光速的速度繞原子核而行，原子的質量基本集中在原子核，而原子核的體積相比原子所占的體積（在分子范圍）可以忽略，也就是說原子內部其實空空蕩蕩。不同元素的原子內電子數量不同。當電子數量較多時，電子還分層環繞，就像太陽系情況。

我們通常發現不同的元素的特性，主要是原子內部外層電子變化引起。我們認為的劇烈燃燒、爆炸等現象其實是不同分子之間的原子互換或分子分裂后原子重組新的分子過程。這些過程根本不涉及原子核的任何變化，僅僅是不同原子在重組中外層電子的搭配情況有所變化。

在某種情況下，原子核之間也會發生作用，合并或分裂，這時候就是通常我們所說的核反應。某些元素的原子核不穩定，會自發發生分裂。導致元素衰變為其他元素。這個是天然的核反應過程。將那些不穩定的原子核集中在一起，讓分裂過程變得劇烈，或將原子核強行合并產生新元素，這是人工的核反應過程。

觀察：

1.早期電視或電腦顯示器，都是使用陰極射線管（crt）來產生圖像。屏幕本身是厚玻璃，仔細觀察會發現玻璃后面是小點組成都陣列。每個小點是由三個更小的點組成。使用時，高速電子流擊中小點，使得小點發亮。這些小點稱之為熒光粉。電子流打在熒光粉上，改變了熒光粉原子中電子所在的位置，當改變位置的電子回原位置時，就發出肉眼可見的光。不同類型的熒光粉發的光顏色不同，發光的持續時間也不同。我們使用余輝時間來描述發光持續時間。短余輝熒光粉、中余輝熒光粉、長余輝熒光粉就是熒光粉發光持續能力的通常劃分方式。等離子顯示屏，雖然工作方式與陰極射線管不同，但顯示出不同顏色都是發光材料的原子內部電子回到原位置而產生的可見光。早期的日光燈、現代的節能燈原理與等離子顯示屏類似。

2.自然中很多元素的原子核會發生變化。地球的生命都使用碳元素，并且在生命周期內會和外界環境進行碳交換。空氣中存在大量氮元素，某些氮原子受到宇宙中高能射線打擊，原子核發生變化，變成碳14元素。這些碳14原子與通常的碳12原子不同，其原子核不穩定，會慢慢衰變為氮原子核。衰變的速度是每5730年數量減少一半（稱為半衰期）。但因為宇宙射線的補充能力，空氣中碳14元素與正常碳12元素比例恒定。某生物在生命周期內進行碳循環，碳14元素隨之進入身體，兩種碳元素同樣在生物體內保持恒定比例。當生物死亡后，遺骸中的碳14只衰變，而無補充。通過測定碳14的比例，可逆推出生物距今的時間。方法的缺陷：不同時期可能碳14的比例不同，在生物埋藏過程中可能存在污染，衰變速度較快，時間較長的碳14含量過低，誤差太大?？梢詼y定的最長時間是6萬年左右。這種方法可以推廣到檢查地球年齡，生命起源的時代，月球的年齡等等。只要選合適的不穩定元素即可。鈾鉛測年法-通過測量鈾235和鉛207以及鈾238和鉛206的比例測量石頭，可以測量大約一百萬到超過45億年的年代。鉀氬測年法-鉀40衰變為氬40?？梢詼y量超過100,000年的石頭。銣鍶測年法-銣87衰變成鍶87有13億年的半衰期。用于測量火成巖和變質巖，還被用于測定月球巖石。

3.原子、彈使用鈾233、鈾235、钚239來制造，早期通過分離鈾238和鈾235來進行。鈾235的半衰期是7億年，鈾238的半衰期是45億年。所以現在鈾礦中的鈾235很少。天然鈾礦中鈾235含量大約0.7%，核電站使用鈾235來發電，其濃度大約3%，制造武器的濃度大于90%?，F在分離鈾235的技術主要是使用離心機對六氟化鈾氣體進行，依賴密度的微小差異實現濃縮。攻擊伊朗分離鈾235的計劃就是通過計算機病毒使離心機工作過速而損壞。分離后的剩余鈾238由于密度高，常常制造彈頭，稱為貧鈾彈。作為穿甲彈比鎢制彈效果好，并且容易燃燒，威力大。由于存在衰變性，對生物dna易造成破壞，誘發白血病、嬰兒畸形等。在伊拉克戰場上曾大量使用。

梅樂芝經理的科普文章（八）

第8節熱-功

功就是力（外因）對物體作用的效果（狀態）累計。一桶水置于地面，地球對水有重力作用，但是水的位置不變，狀態沒有發生變化，則重力對水沒有做功。提一桶水勻速前進，首先克服水的重力，剩下的力才是對水做功。水由靜止進入勻速前進的過程中，力對水的狀態有改變。當水勻速前進時，狀態又不變了。那么此時就沒有做功。很費力氣地把水提行長距離，但做功就在剛剛開始提水的時間段。那么人費的力氣做什么了？都在克服阻力去了，勻速前進階段，水本身受力的總和為0！

精確地描述功，就是物體在力的方向上前進的距離才算是力對物體作用的效果。如果力對物體進行作用，但是物體并沒有在力的方向上有位置變動，則意味著一定存在什么因素，使得這個力勞而無功。那么功=力x距離（乘法就等于多個加法的進行，就是功的累計過程）。功的衡量單位是以英國人焦耳的名字命名。

愚公移山，只要愚公有足夠的時間，他一個人就可以解決這個問題。但時間永遠是個問題。為了反映功的效率，就必須同時考慮功和時間。為此提出功率這個概念，就是一定時間內做的功。這個就容易衡量對物體作用的能力大小。那么功率=功/時間。功率的衡量單位是以英國人瓦特的名字命名。這多么英國人的名字出現不奇怪，畢竟工業革命是從英國開始，日不落帝國是依靠實力實現的，不是自我催眠的結果。

瓦特的單位太小，一般使用千瓦做功率單位。馬力也是常用功率單位，1馬力=735瓦特。俗語也常用馬力作為功率的代名詞，比如說汽車馬力大不大。100瓦大概是什么概念呢？現在健身比較流行，健身器材中啞鈴有重有輕。100瓦相當于1秒內把10公斤重的啞鈴舉高1米。某個人身高1.8米，體重90公斤，深蹲在地上，1秒內站直，則雙腿的功率大約是900瓦。

功可以產生熱，比如鉆木取火。熱可以產生功，比如蒸汽機。是否可以認為熱和功其實是同一現象的不同體現呢？從分子的角度開看待這個問題。力作用在物體上，物體在力的方向上產生一定速度前進，物體內各分子本來都在運動，現在物體本身在運動，相當于分子在原運動的基礎上又向力的方向運動。熱是分子運動的綜合。吸收熱意味著分子運動速度加快，散發熱意味著分子運動速度降低。那么功產生熱其實是分子運動中的定向運動（物體速度）消失，轉化為分子各自運動速度加快。熱產生功則是分子運動速度降低，卻帶來了整體定向運動。

焦耳花了很多年時間檢驗熱和功的關系，試圖找出雙方的定量關系。最終驗證了功產生熱的關系：4.18焦耳（功）=1卡（熱），稱為熱功當量。

為了統一熱和功的形式，我們換一種說法，熱和功都是能量的外在形式，本質都是能量（功和能量在形式上相同，但有些區別。能量是物體具有的某種性質，功是物體做出的某種性質。換而言之，能量是物體所有，功是物體所為。）熱和功的轉換，意味著能量轉換，能量總和保持不變。稱之為能量守恒。

功有多種存在形式，常見的就是勢能和動能。勢能就是位置變高，導致在回復原位置時可以產生動能。勢可以理解為潛在的，勢能就是潛在的、存儲起來的能量。蓄勢待發正說明了勢能的作用。動能則完全是功基本定義的直接結果，因為力的作用使得物體運動，物體的慣性運動蘊含的能量完全等于力作用的積累。

思考：

1.月球繞著地球轉，月球的前進方向和地球引力始終垂直。地球引力雖然改變著月球的狀態（月球的前進方向一直在變），卻沒有作出任何功。忽略的太陽木星等星體對月亮的影響，那么月亮的環繞從來就沒有被地球改變過。（事實上月亮繞地球是橢圓軌道，在某個軌道階段地球引力會輕微地做功，但最終月球的勢能+動能總和不變。）

2.機械時代的懷表或手表，都有上弦過程，這是在存儲彈性勢能。勢能緩慢地釋放成表的指針運動和內部機械運動動能。后期出現自動儲能結構，手表在手臂晃動中存儲動能，免去了上弦的步驟。

3.現在水電站非常多，刨去生態破壞和地質破壞因素外，這個是很綠色的能源。水庫蓄水存儲了大量重力勢能，放水發電則是勢能轉為動能再轉為電能。現在電力需求在不同時間差異很大，白天到晚上10點，電力供應緊張，深夜電力需求很小?，F在可以使用勢能存儲辦法來改善這種情況。深夜時，耗電抽水至水庫，把電能存為勢能。白天放水發電，將勢能轉為電能，補充電網。在自然界，大河周圍存在許多湖泊。在洪水季節，湖泊可以大量蓄水，降低洪澇災害程度。旱季又可以補充河水，是天然的彈性結構。

4.燃燒同重量木柴和火藥，木柴釋放的熱量更大。但是火藥可以瞬間把能量釋放出來，雖然總能量不大，瞬間功率非常大。天空中的閃電，總能量不大，但也是瞬間釋放，功率同樣非常大。照相機的閃光燈，充電完成后就可以發出強光，進行拍攝。核電站的原子能釋放功率巨大，必須增加大量附屬設施降低功率。

5.能量守恒，得到能量的同時，意味著其他地方在失去能量或能量的等價對象。砍伐樹木燒火，獲得熱能，每年樹木都在生長。樹木的生長能量來自太陽。事實上，在地球上的任何可持續使用的能量，都是太陽能的轉換。（原子能不是來自于太陽，是來自于以前的恒星爆炸遺跡。這些遺跡的殘渣組成了地球，也就是說原子能來自于其他已經消失的太陽。）

6.能量存在的形式多樣，熱能、機械能、化學能、原子能、電磁能都是能量的不同形式。人工的某種能量轉換過程，總是伴隨著其他類型的能量轉換。發電方式包括了多種能量轉換方式：熱能轉電能，有熱電、機械能轉電能，有風電、水電、原子能轉電能，有核電，電磁能轉電能，有太陽能發電，化學能轉電能，有燃料電池發電。無論哪種方式，能量轉變為電能的效率達不到100%。多數都以熱能的形式散發到大氣中。自然的能量轉換不存在這樣的目的性。所以就沒有效率這樣的標準。

熱功當量表明，4.18焦耳的功可以轉換為1卡的熱量，但是并不意味著1卡熱量可以轉換為4.18焦耳功！熱只對應分子運動速度，但對整體運動方向無要求。功卻是要求運動整體有方向。要求更高。簡單地說，功比熱更有序，破壞比創造容易。

法國人卡諾仔細研究熱轉功的問題，給出了理想熱機的效率計算公式。即便是理想熱機，效率也無法到100%。更不要說實際的熱機，效率只會更低。人類設計了若干熱機，將熱轉為功。

最早就是蒸汽機，使用燃料加熱水，生成高壓蒸汽推動活塞產生定向運動?；钊麕右桓鶕u臂軸和曲壁將往復運動轉換為旋轉運動?，F在只能在博物館見到的蒸汽機火車頭，就是這類機械的應用。在軍事競爭下，出現多脹式蒸汽機，高溫蒸汽通過多個汽缸做功，提高了效率和功率。十九世紀末期，當時軍艦采用多脹式蒸汽機做動力。隨之出現了汽輪機（蒸汽渦輪機），高壓蒸汽直接噴在渦輪上的葉片（想象風車的葉片），產生旋轉運動。功率可以做得非常大，二十世紀初應用于軍艦動力，現在多用于熱電廠。核電廠發電，也是使用汽輪機進行。事實上，核動力航母、潛水艇，都是使用汽輪機為動力，而核反應堆無法產生動力，本質就是超大功率的鍋爐，只能產生高壓蒸汽。內燃機，采用汽油、柴油、可燃氣體等，在氣缸內直接燃燒生成高溫高壓氣體推動活塞運動，略過了加熱水生成高壓蒸汽的過程，效率比蒸汽機高。由于體積小，功率適中，廣泛應用于汽車工業，早期飛機也采用這類型發動機做動力（有一種內燃機，旺凱爾發動機，可以直接產生旋轉運動）。由蒸汽機改為汽輪機的思路出發，內燃機改為燃氣輪機。這種機械體積小，功率大，推重比高，用于飛機動力?；鸺l動機則是原理最簡單的噴氣推進動力機械。燃料燃燒產生高溫高壓氣體直接噴出，推動火箭前進。

原理完全不同的熱功轉換裝置：燃料電池。這種溫和燃燒發生在質子膜上，并沒有高溫產生，直接轉換為電力，是研究的熱點。早在50年前就在宇宙飛船上使用，目前已經商業化。

機械名稱燃料工作方式驅動方式動力轉換功率

蒸汽機煤、重油燃燒加熱水產生高溫高壓蒸汽蒸汽驅動活塞產生定向運動定向->旋轉大

汽輪機煤、重油、核反應加熱水產生高溫高壓蒸汽高壓蒸汽驅動渦輪葉片直接產生旋轉運動無非常大

內燃機輕油、可燃氣燃燒直接產生高溫高壓氣體高壓氣體驅動活塞產生定向運動定向->旋轉中

燃氣輪機輕油燃燒直接產生高溫高壓氣體高壓氣體驅動渦輪葉片直接產生旋轉運動無大

火箭發動機高能燃料燃燒直接產生高溫高壓氣體高壓氣體直接噴出發動機外產生定向運動無非常大

燃料電池氫氣或其他可燃氣體在質子膜上進行燃燒無直接產生電力中

功轉熱，100%，熱轉功，必小于100%。比較功轉熱和熱轉功，可以發現，雖然能量守恒，發生能量轉換時，能量中無序的熱越來越多，有序的功越來越少。而能量轉換隨時在發生。我們定義自然（宇宙）的無序程度（混亂程度）為熵。那么就得出一個結論，自然越來越混亂。即自然的熵單調增加。熵與能量中的熱量部分相關，但是溫度增加也意味著熱量增加，因此要扣除溫度增加因素。所以熵=過程的熱量/絕對溫度

熵單調增加，就意味著世界上很多事情是無法逆轉的。比如人的死亡，熱水和冷水混合成溫水。宇宙會不會最終達到全體熱平衡？這個無法估計，因為我們無法生存到那時候來驗證。

觀察：

1.在熱機應用中，根據情況不同，出現各種變形。斯特林發動機，可稱之為外燃機。汽缸中氣體不和外界交換，由外部的冷熱交替來驅動汽缸活塞，通過曲柄來產生旋轉運動。斯特林發動機效率非常高，可達80%。另外反過來供應機械能，斯特林發動機可以提供熱量，變成熱泵。使用風能做動力，就成空調了。并且不存在現代空調的缺陷，不使用任何有機致冷劑，對環境無污染?？靼l動機和旺凱爾發動機類似，但優勢更大。燃料燃燒充分，污染小。發動機完全平衡，無振動。輕油、氣體均可使用。構造簡約。

2.內燃機工作時，活塞輸出動力僅在汽缸內部膨脹時進行。這樣動力輸出不連續。為了持續輸出，一般都使用多個汽缸共同工作，不同汽缸之間輸出動力有時延，保證隨時都有汽缸在輸出動力。多個汽缸的時延累計恰好等于活塞工作一個循環的時間。汽缸越多，輸出越平穩，功率也越大。早期飛機使用星形汽缸布置，汽車多采用列布置，也有采用v型布置，水平對置型。這些對輸出動力沒有區別，僅僅是汽車外形構造的需求。

3.汽輪機的輸出功率大，效率高。而燃氣輪機原則上效率更高。制約燃氣輪機的因素是材料。汽輪機的蒸汽溫度再高，也遠不及燃氣輪機的高溫氣體，不會對渦輪葉片造成影響。但燃氣輪機的高溫氣體很容易達到葉片材料的熔點附近。當葉片變軟變形，就無法工作。無論材料如何改變，因燃氣溫度過高，對葉片的影響總是大于蒸汽的。當高壓氣體作用于葉片時，形變肯定大于汽輪機的。

4.房間過一段時間總是要收拾，不然就顯得很凌亂?；ㄒ恍r堆一個沙丘城堡，一腳下去就消失了，用時一秒。生活中我們總是和熵做斗爭：恢復整潔的房間、使用各種化妝品來證明身體的熵沒有增加（可惜不能免除死亡。西方曾有種萬能藥，據說能治百病。似乎是使用埃及木乃伊身上的組織制作而成。不知道那些被制作了萬能藥的主人是否還存在意識，自己的永生愿望居然是這樣實現的?。?。

5.德國人克勞修斯曾預言宇宙的熱寂。雖然能量總和不變，但沒有溫差。沒有溫差就無法做功。沒有變化的世界就意味著死寂。對宇宙的分析理論有多種，每種都有支持證據和反駁證據。總之宇宙的未來還尚未可知。宇宙進入死寂的前提是宇宙可以存在到那個時候。假若宇宙永生的話，理智上可以相信熱寂。