蒸汽动力

在理论上，关于热量本质的争论仍在继续；而在实践上，机械能和热能的关系已经通过蒸汽机的发明为工业革命拉开了序幕。蒸汽机最初由托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）在1712年发明，后来又先后得到了几个英国人的改进，它们改变了制造的本质，也革新了商品的运输。

在18世纪初，英格兰的曼彻斯特只有不到一万居民，到了1769年，当詹姆斯·瓦特为第一台高效的蒸汽机申请专利时，它也依然只是个小城。但是没过多久，它却跻身世界都市之流，成为了一个行业中枢，美洲生产的棉花经利物浦运到这里，纺成成衣，再装上蒸汽船送到世界各地。在18世纪的后四十年里，曼彻斯特的人口翻了三倍，到19世纪的前四十年，它的人口又翻了三倍。

曼彻斯特的兴起，部分是因为历史的意外——它的有利位置和合理规划恰好在这时候成就了它。另一部分原因，则是城里信奉的主流教派是在剑桥和牛津遭到禁止的神体一位论。1792年，曼彻斯特学院开张，向年轻学子传授大量科学，这对当时注重经典的正统教育不啻是一种反叛。教育上的变化将学生导向实际，而这又正好迎合了工业革命的发展。曼彻斯特对科术的推崇固然与它原本注重实际的风气有关，但另一方面，这也是因为曼城意识到了自身的发展和繁荣与技术创新有直接的关系。

曼彻斯特培养出的第一位大科学家是约翰·道尔顿，他是原子理论的创始人，也是气体膨胀规律的发现者之一。曼城在1781年成立了“曼彻斯特文化与哲学学会”，道尔顿自1817年起担任学会主席。这里的居民或许对原子理论的细节并不了解，但他们知道蒸汽机和工厂对自己的生活有多么重要，也明白这里头有道尔顿的功劳。1844年道尔顿逝世，送葬的行列包括了一百辆马车，从头到尾延绵了四分之三英里（约1.2公里）。道尔顿的灵柩在市政厅安放，有四万名悼念者前来瞻仰。

物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）写过一篇名叫《曼彻斯特和雅典》（Manchester and Athens）的文章，探讨了曼彻斯特开创的研究风格。他的这个标题借用了英国前首相本杰明·迪斯雷利（Benjamin Disraeli）写过的一部小说，其中的主人公说道：“曼彻斯特对人类的贡献和雅典相当。”这份贡献主要源于曼城人民掌握的一个概念，那就是蒸汽机将会改变商贸的本质，正如一百年后的电力以及两百年后的电脑一样。

虽然英国在蒸汽机的开发上一路领先，但是第一个掌握了它的简单原理并表述出来的，却是法国人萨迪·卡诺（Sadi Carnot）。在这个过程中，他还提出了一个定律，那就是后来的“热力学第二定律”。卡诺早年学习工程，1815年拿破仑倒台之后法国国势衰弱，令他十分担忧。卡诺出身显赫，他的家族向来对政治和科学怀有强烈兴趣。他的父亲曾担任拿破仑的战争部长，他的弟弟也是著名的政治家，他的侄子更是在1887年至1894年做过法国总统。

卡诺明白，英法两国的地位升降并不仅仅是滑铁卢战役的后果。另一个原因是法国缺少像曼彻斯特这样的城市。他曾这样说道：

我们知道，铁和热是机械工艺的支柱与根基。在英国，我怀疑没有一处工业设施的存在不仰仗这两样东西，也没有一家工厂不在随意运用它们。英国要是没有了蒸汽机，它也就没有了煤和铁。它的财富之源将会枯竭，它的繁荣之本将会毁坏，一句话，它的巨大力量将被整个消灭。相比之下，它要是没有了自视为最强防御的海军，其后果倒未必有这么严重。

1824年，二十八岁的卡诺开始研究蒸汽机。他意识到蒸汽机可以看作是一种循环作用的引擎：将水烧开，化作蒸汽，然后送入汽缸，推动活塞。活塞走完一程，回到原处，此时蒸汽冷却，凝结成水，然后回到锅炉，重启循环。

卡诺主张，蒸汽机好比是一架由落水驱动滚轮的水车。水的落差越大，做功的速率就越大——简单地说，也就是水车转动得越快。有一天他灵光一现，想到一台蒸汽机的做功速率，只取决于热量的来源和去向，也就是锅炉与冷凝器之间的温差。这个温差就相当于水车中流水下落的高度差。

卡诺并没有完全理解一台蒸汽机的根本原理，他的类比也不算全面。比如，他认为热量是无法消灭的，是一种始终守恒的热质，所以蒸汽机吸收的热量和释放的热量必然相等。这自然与他心中的水车模型相吻合。你可能要问，伦福德已经在实验中将机械能转化成了热能，这不就证明“热质”这东西并不存在了吗？但是在热质说的拥护者看来，伦福德的成果却反倒证明了他们的观点。按照他们的解释，伦福德的实验说明摩擦力从物体中挤出了热质，由此产生了热量。

卡诺在三十六岁时不幸逝世（死于霍乱），在那之后不久，越来越多的人开始认识到热质并不存在：热只是能量的诸多形式之一，在一个封闭的系统内，能量的各种形式是守恒的。这个认识后来被称为“热力学第一定律”。以一台蒸汽机为例，锅炉吸收的热量与冷凝器排放的热量并不相等，两者的差值，就是一台理想的蒸汽机所做的功。

第一个证明了热力学第一定律的“现代”实验，是由道尔顿的一名年轻而谦虚的学生做出的，他名叫詹姆斯·焦耳。焦耳在曼彻斯特的务实氛围中接受了教育，也认为实验胜于先入为主的观念。他对这个课题的第一步研究，是证明了导线中的电流可以产生热量；这说明电和热彼此相关。有的人或许会说，这是因为电流从导线中挤出了热质，但焦耳并不这么认为。

焦耳接着又对伦福德的实验做了改进。他制作了一台小型搅拌机，它的叶片浸在一只烧杯里，上部连着一根垂直的棒子。这根棒子经由滑轮和一块重物相连，重物下坠，就会牵动叶片，将水搅动，同时又不会对水造成任何改变。焦耳在烧杯里插了一根非常精确的温度计，以此来计算重物坠落时的势能改变在水中产生了多少热量。他将叶片浸入不同的流体，重复实验，产生的热量始终相同。这个结果，至少在焦耳看来，证明了能量是守恒的，也证明了热质是不存在的。

1847年，焦耳在一场讲座中介绍了自己的测量，听众中有一个年轻的苏格兰人，名叫威廉·汤姆森。汤姆森是一名天才，二十三岁就在格拉斯哥做了大学教授，他博览群书，也了解科学的进展。焦耳的说法使他困惑，因为这似乎和卡诺的观点背道而驰。这些观点在当时的英国还不为人知，但是汤姆森曾在巴黎求学，他了解卡诺的观点，并且向焦耳作了介绍。两人就此结下一段友谊，并开始合作研究热机，以确定到底哪个是正确的观点。

汤姆森和卡诺一样，认为在蒸汽机的一轮循环中，它吸收的热量和释放的热量是相等的。在几次讨论之后，焦耳说服了他这个观点是错的。但是两人都同意卡诺的观点在根本上是正确的：蒸汽机在一轮循环中所做的功除以输入的热量，其结果只取决于锅炉和冷凝器的温度。把焦耳的结果与卡诺的概念相结合，就会发现一台典型蒸汽机的效率（输出的功除以输入的热量）要小于1（即100%），它与1之间的差值可以用两种方式表述，一是冷凝器输出的热量除以锅炉输入的热量，二是冷凝器的温度除以锅炉的温度。卡诺说蒸汽机的效率取决于温度差，这一点是正确的。

当然，这里温度要用正确的度量表示。道尔顿和盖-吕萨克的实验已经提示了正确的度量，那就是将摄氏零下273度作为真正的零度。在这个绝对量表里，摄氏0度是273度，水的沸点则是373度。一台理想的循环热机，如果锅炉是摄氏100度、冷凝器是摄氏7度，那么它的效率就是1减去280/373，其中280是冷凝器的绝对温度，由273加7得出，373则是锅炉的绝对温度。

只有在一种情况下，热机的效率才会达到100%。那就是机器将热能完全转化为机械能，它的冷凝器达到绝度零度。从原理上说，所有能量都是平等的，但实际上，有些能量却比别的更平等。机械能转化为热能，效率可以达到100%；但是热能要完全转化为机械能，冷凝器就必须达到绝对零度。当然，绝对零度已经是最低的温度，因此热机的效率绝对不可能超过100%。

具体来说，加大锅炉和冷凝器之间的温度差，就能提高一台蒸汽机的效率。你也许认为锅炉的温度只能是绝对373度，因为那是水滚沸成蒸汽的温度，但是压力能够提高水的沸点。詹姆斯·瓦特就明白这一点。他的蒸汽机有一项改进，那就是在高压下产生蒸汽。

今天，能量的单位是“焦耳”，电线中产生的热量称为“焦耳热”，但是将摄氏0度表示为273度的绝对温标则被叫做“开氏温标”。开氏是谁？就是威廉·汤姆森。在度过漫长的生涯之后，在科学与公务领域均有显赫成就的他终于得到了皇家的认可，他在1892年成为了一名贵族，封号“开尔文男爵”。