热能是不是机械能(与人类生活息息相关的光能与热能，究竟是如何一步步的改变世界)

Posted 2023-06-02

篇首语：苟利国家生死以，岂因祸福避趋之。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了热能是不是机械能(与人类生活息息相关的光能与热能，究竟是如何一步步的改变世界)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

热能是不是机械能(与人类生活息息相关的光能与热能，究竟是如何一步步的改变世界)

光能和热能——改变世界

亘古的一道闪电引燃了森林，我们的祖先惊奇地发现，黑夜里森林竟染红了半片天，伸出手感受，炽热的温度让祖先们望而生畏。眈眈相向，谁也不知道，亦或是说谁也不清楚这团“天降圣火”对历史车轮的滚动，对人类文明的影响究竟有多大。

今晚至少不用挨冻，问题留给明天再解决吧。我们的祖先怀着这种想法，在森林边沉沉地睡去了。暖流淌在身上，耳边“噼啪”的燃烧声成为了夜里最美妙的安魂曲，少了野兽的嚎叫和“率率”的脚步声，周身环境让人卸下了因厮杀而紧张绷直的的神经，夜还在继续，时间不断流逝，我们的祖先难得睡了安稳而香甜的一觉。

大火持续数天，这是历史上除太阳光外，人类第一次近距离接触自然光。

森林算是烧尽了，我们的祖先不仅睡了几天安稳觉，还意外的品尝到美味的熟食——未能逃离森林的动物不幸成为了当时的佳肴。比起茹毛饮血，熟食确实要更美味些。胃一旦被养刁，便很难再下咽以往只配称得上“吃食”的东西。祖先们等待着，祈求再一场大火的降临。

事与愿违，他们没能得到造物主的恩舍，美好愿望转头成空，破灭在梦里。

可人类的发展，不正是靠一代又一代的开拓者们砥砺前行吗？我们的祖先，显然不是好逸恶劳的主。“要靠自己的双手获得幸福”，他们如是想到。远古时期，人们便对幸福观有了如此深刻的理解。但部分后辈却嗤笑前人的无知——温暖的环境，可口的吃食怎能算得上幸福！

科技水平决定了人们的眼界，不过前人所体现出的“幸福论”还要在几十万年后大放异彩，但这都是后话了。

据考证，北京猿人是最早学会用火的原始人种之一。在北京人居住过的洞穴里，发现了几层灰烬，其中最厚的地方竟高达６米！说明篝火在这里连续燃烧的时间很长。灰烬中有许多被火烧过的兽骨、石块和朴树子。最上一层的灰烬还分成两大堆。这说明北京人不但懂得用火，而且已有保存火种和管理火的能力了。只有当人们从利用自然火并保持火种不灭到能够人工取火，这才算是第一次控制了这种变革物质的、强大的自然力。

在技术未革新前，祖先自有祖先的大智慧，最古老的保存火种的方法主要是用篝火方式，即不断地往燃着的火堆中投放木柴，使用时让火焰燃得高些，不用时用灰土盖上，使其阴燃；用时再扒开灰土，添草引燃。这算是利用火的先进方式了，但我们的祖先可志不在小，他们真正想做到的是“控制”，而非“利用”。

显然，利用火阶段到了瓶颈期，无法长距离携带火种，每天耗费大量时间为篝火筹备木料已成为当下急需解决的问题。

时光冉冉，磨制石器普遍取代打制石器，拉开了新石器时代的帷幕。在更先进的加工方式下，祖先们惊奇的发现，当加工燧石时，有时会有火花溅出，也已注意到当钻木、锯木、刮木时，木头会发热，甚至发生烟火。其中智人无疑是自然取火过渡到人工取火的大功臣之一，他们总结出燧石碰撞和木料之间的摩擦等会产生火花，至此人类终于掌握了驾御火的自由！但先人没想到的是，他们此时人工产生的火花竟照亮了后来者的路。熟悉了火的使用之后，冶炼金属和烧制陶器被提上日程。

沧海变桑田，几十万年后，弗里德里希·恩格斯评价道：“就世界性的解放作用而言，摩擦生火是第一次使人支配了一种自然力，从而最终把人同动物分开。” 光和热第一次改变了世界。

但我们知道，火的诞生实质上是燃料燃烧，而燃烧伴随着发光放热。可惜比我们早出生几十万年的人们可无福享受现成的知识，他们只能不断摸索。

往后的岁月，人们有了陶器、有了油灯、有了烛台、有了炸药，可以冶炼金属制成神兵利刃，也可以用火驱散野兽保卫一方平安，甚至餐饮文化也迅速发展起来。但这都是基于对“火”的利用，剖开现象看本质，人真正需要的，只有光能和热能而已。

自人支配火后过去几十万年，每个时代都有着不俗的成绩，但新的疑难杂症随着时代的发展接踵而来。

当人们只想利用光能时，火产生的热能往往会被浪费，而当想利用热能时，火光既会刺伤人的双眼，又会影响人对事物的判断。于是乎，如何驾驭光能和热能作为新的问题登上历史舞台。

在人类历史上，理论多建立在实践的基础上。公元1世纪，亚历山大里亚有一个伟大的实验家，名为希罗。他把一个空心的球和一个装有水的密闭锅子用两个空心管子连接在一起，在锅底用火加热使的水沸腾变成水蒸气，然后由管子进入到球中，水蒸气从球体的两旁喷出并使得球体转动。事实上，在当时水沸腾能够产生炽热的水蒸气已为人熟知——毕竟这与生活息息相关，人们知道也不足为奇。希罗高明就高明在他将水蒸气转化为一种能够推动物体旋转的力，站在现在的高度分析，希罗先是燃烧燃料，将化学能转化为热能传递到水中，水沸腾喷出的水蒸气又将热能转化为机械能推动了球体旋转，而他的发明被命名为汽转球——正是千年后蒸汽机的雏形。

可惜希罗并没有意识到能量转换会对科技和社会的发展产生怎样巨大的影响——比起希罗其他的巨大成就，汽转机确实只能作为一种新奇的玩物。若是他深入研究，或许后来人就会少走一些弯路，但他的灵感如同石器时代燧石相撞所产生的火花，照亮了后来人的路——历史从不缺少后来人。

岁月如流，时间来到17世纪。法国物理学家丹尼斯·巴本结合前人经验，在观察蒸汽逃离他的高压锅后制造了第一台蒸汽机的工作模型。同时代的萨缪尔·莫兰也提出了蒸汽机的主意。

功夫不负有心人，在不同人的共同努力下，1698年托马斯·塞维利和1712年托马斯·纽科门制造了早期的工业蒸汽机，最初的蒸汽机用来将矿井里的水抽出来。纽科门的蒸汽机将蒸汽引入气缸后阀门被关闭，然后冷水被撒入汽缸，蒸汽凝结时气缸真空，造成气压差，使得活塞另一面的空气压力推动了活塞。在矿井中联结一根深入竖井的杆来驱动一个泵，蒸汽机活塞的运动通过这根杆传到泵的活塞来将水抽到井外。这在当时是最前沿的科技，但若以挑剔的眼光评价的话，早期蒸汽机仍存在着许多不足。纽科门蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，指出这个致命缺点的人不是别人，正是詹姆斯·瓦特。

1764年，英国的仪器修理工詹姆斯·瓦特为格拉斯哥大学修理纽可门蒸汽机模型时，注意到了这一缺点，并于1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机，并于1769年取得了英国的专利。初期的瓦特蒸汽机仍用平衡杠杆和拉杆机构来驱动提水泵，为了从凝汽器中抽除凝结水和空气，瓦特装设了抽气泵。他还在汽缸外壁加装夹层，用蒸汽加热汽缸壁，以减少冷凝损失。

瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速地发展，他使原来只能提水的机械，成为了可以普遍应用的蒸汽机，并使蒸汽机的热效率成倍提高，煤耗大大下降。不可否认，瓦特站在了前人的肩膀上，但他为后来人的研究奠定了大体方向。至此之后，蒸汽机不仅在采矿业中得到广泛应用，在冶炼、纺织、机器制造等行业中也都获得迅速推广。后来人们在瓦特的改良基础上创造了蒸汽机船，蒸汽机车等等设备，世界浩浩荡荡地进入蒸汽时代。

自从人类支配火后，蒸汽机的诞生无疑第二次改变了世界。人类学会了将热能转化为机械能，这意味着人类利用发光和放热同时出现的燃烧形式已经成为历史，蒸汽机改变了生活生产方式。

只是到了晚上，人们又要开始对着煤油灯发呆，夜幕降临，意味着一天的活动就要终止——靠着煤油灯微弱的焰光又能干些什么！

“要是屋子里有像白昼一样的光就好了！”当时的人们幻想着。

17世纪初，电的概念诞生，不过当时只有“电”的雏形，且产生的电多为难以利用的静电，但开拓者们的脚步不会因此而停下。时间来到17世纪末，终于有人揭开了电流的秘密。

他已经50多岁了，名叫伏打。

伏打致力研究两种不同金属的接触。他推翻了前辈伽伐尼提出的“生物电”结论，执拗地认为两种金属不仅仅是导体，而且是由它们产生电流的——他大对特对。用伏打自己的话来说:金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为"金属的"或"接触的"电流。

"用30块、40块、60块或更多的铜片，最好是用银片，每一片都和一块锡片接触，最好是锌片，并且用相同数目的水层或比纯水更好些的导电液体层，最好是食盐水或碱水等，或是浸透这些液体的纸壳或皮革……”

“在桌子上或台子上，我水平地放一块金属片，例如银片，在这一片上我放上第二片，即锌片;在第二片上我放上了一张浸液片;然后放上另一块银片，紧接着是另一块锌片，上面放上一张浸液片。如此，我以同样的方式，总是在同一方向上，把银片和锌片合起来，那就是说总是银在下面锌在上面，或者相反，这要看我是怎样开始放的，在两对合起来的片子之间，都夹上一层浸液片。我如此继续下去，就形成了一个高到不至于自己垮下来的圆柱。"

伏打在信和自述中证明了这个堆的一端带正电，另一端带负电，著名的伏打电堆从此诞生。这是第一个能产生稳定、持续电流的装置，有了持续电流，科学家对电学的研究打开了新的局面。

伏打电堆问世之后，1819年，汉斯·奥斯特发现如果电路中有电流通过，它附近的普通罗盘的磁针就会发生偏移。此时，一位年轻人深受启发，他想，如果假如磁铁固定，线圈就可能会运动，而电能就会由此转化为机械能！

根据这种设想，两年后，他成功地发明了一种简单的装置。在装置内，只要有电流通过线路，线路就会绕着一块磁铁不停地转动。这是人类历史上第一台电动机，虽然装置简陋，但它却是今天世界上使用的所有电动机的祖先。而这位年轻人的名字——迈克尔·法拉第，响彻了全世界。

法拉第的故事还在继续，他仔细地分析了电流的磁效应等现象，对“既然电能够产生磁，反过来，磁也应该能产生电”这一猜想深信不疑。于是，他企图从静止的磁力对导线或线圈的作用中产生电流，可惜命运跟他开了一个残酷的玩笑，他与正确的结论差之分毫。经过近10年的不断实验，直到1831年法拉第才发现，一个通电线圈的磁力虽然不能在另一个线圈中引起电流，但是当通电线圈的电流刚接通或中断的时候，另一个线圈中的电流计指针有微小偏转。法拉第心明眼亮，经过反复实验，都证实了当磁作用力发生变化时，另一个线圈中就有电流产生。他又设计了各种各样实验，比如两个线圈发生相对运动，磁作用力的变化同样也能产生电流。这样，法拉第终于用实验揭开了电磁感应定律。法拉第的这个发现扫清了探索电磁本质道路上的拦路虎，开通了除伏打电堆之外大量产生电流的新道路。

“闭合电路中的导体切割磁感线时产生感应电流”成为电磁感应定律最直观的运用，发电机的工作原理亦是如此。

至此，人类已经拥有了发电机和电动机，那么又该以怎样的方式驱动发电机发电呢？没错，最初发电机的动力来源于蒸汽机！

兜兜转转又回到了火力，由燃料燃烧，化学能转化为热能，热能又转化为机械能，机械能再驱动导体切割磁感线产生电能，电能又转化为其他形式的能，而在其他形式的能中，最重要的莫过于光能。

1865年，麦克斯韦提出电磁场理论，大胆指出光波是一种电磁波。

1880年，托马斯·阿尔瓦·爱迪生的实验室里散出耀眼的白光，高效电灯正式诞生。

事实上，一年前爱迪生就已经发明出白织灯泡，不过当时的灯泡只能持续照明40多个小时。但爱迪生并不满足——尽管他已经做到了前无古人后无来者之事。为了找到最合适的灯丝，他将目光集中在碳化竹丝上，6000多次实验后终于找到了制作灯泡最佳的灯丝——由日本竹子碳化而成的灯丝。而到了1888年，海因里希·鲁道夫·赫兹在实验室证实了电磁波的存在之后，又进一步证明电磁波跟光波一样能发生放射、折射、干涉、折射和偏振现象，以大量实验证明出光波即是电磁波。

蒸汽机的诞生、电流的运用、灯泡的诞生，意味着人类终于系统的将光和热分离开，同时两者又相辅相成；意味着自石器时代火被控制之后，人类再一次战胜了黑暗。而电则成为了联系光和热之间的桥梁。往后的岁月里，随着发电方式和电器的不断改进和完善，电的用途逐渐变得多样化和现代化，更变得普及化。为了运用光和热，人类已经奋斗了几十万年。

但光的用途可不仅仅只是照明这么简单，光波是电磁波，而电磁波的最大应用即是传递信息，那么光波能否传递信息呢？

从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁波。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。值得一提的是，电磁波还肩负着沟通全球的重任，现代的信息传输方式又主要分为有线传输和无线传播。

近距离的信息传输可是无线传输的天下，但面对远距离传输，无线传输也只能退位让贤给有线传输了。

电磁波在空气中传递往往会因为空气中的杂质而发散削弱，这时候就需要一个巧妙的装置来解决这个问题，光电传感器为此诞生，光电传感器可以将电磁波转换为一种光信号。众所周知，光可以被镜面完全反射。于是一根内部为镜面的传导工具也出现了，人们命名为光纤。

光能的高度利用让人们彻底战胜了黑夜，战胜了地域的辽阔和隔阂；而热能让人们脱离了茹毛饮血的生活，初步战胜黑夜，之后热能又使人类进入电气自动化时代。光能和热能两者相结合，改变了社会的意识形态，改变了整个世界。

可世界的改变就到此为止了吗？请不要忘记，一个时代最不缺少的就是开拓者。我们的祖先只会思考，也只能思考怎么更好地利用火去照明和取暖，他们绝不会料到几十万年后人们已经可以不用火去照明取暖，更不会想到几十万年后地球上出现了胜于火力的能源。我们又何尝不是后人眼里的前人呢？也许在后人眼里，我们现在引以为豪的能源在他们眼里如同未开化的野蛮人一般。保持谦卑，砥砺前行，亘古以来人类就是凭着这种秉性发展到现在的境地，时间的滚轮不会停下，世界更不会停止改变，哪怕一刻。

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