武际可,科技史选讲之九 1
产业革命与现代工业
科学技术史选讲
武际可,科技史选讲之九 2
? § 1 能量守恒定律的发现
? § 2 蒸汽机的发明与应用
? § 3 热力学第二定律
? § 4 电和电机
? § 5 机床与机器
武际可,科技史选讲之九 3
§ 1 能量守恒定律
的发现
武际可,科技史选讲之九 4
能量守恒定律的发现
?谈到能量守恒原理, 我们应当记得莱布尼兹最
早提出的活力守恒定律 。 在莱布尼兹时代, 动
量守恒, 角动量守恒, 以及 活力守恒定律 相继
建立起来了 。 人们本来可以继续发展已有的结
果得到更为广泛的守恒定律 。 但是由于人们对
热的本质了解得还不多, 而且认为热是一种由
,热素, 产生的运动 。 所以在莱布尼兹之后的
100年里, 在守恒定律的研究方面一直是停止
不前的 。 到了 19世纪中叶, 由于人们对热有了
清楚的认识, 在最一般意义之下的守恒定律才
被发现 。 即使是这样, 发现的过程也是很曲折
的 。
武际可,科技史选讲之九 5
永动机的研究热潮
?永动机的想法起源于印度，公元 1200年前后，
这种思想从印度传到了伊斯兰教世界，并从这
里传到了西方。
? 1635年，在英国注册了第一个永动机的专利，
到 1903年左右注册的就有大约 600个永动机的
专利。
? 1911年，美国专利局规定任何永动的机械专利
必须实际运行一年后才能申报。不过之后还是
有许多永动机的专利注册。
武际可,科技史选讲之九 6
各种不同的永动机
武际可,科技史选讲之九 7
托马斯 ·杨与他的研究
?托马斯 ·杨 （ Thomas Young,1773,5,10－
1829,5,10） 是一位多才多艺的神童, 他
两岁就能读书, 四岁可以读圣经 。 青年
时期学会了十几门外语, 会演奏多种乐
器 。 后来杨开始学医, 并且去德国求学,
1796年获哥廷根大学的博士学位, 1799
年回国在伦敦开业行医, 之后在皇家学
院讲授自然科学, 并于 1802年被任命为
皇家学会的外交秘书 。
武际可,科技史选讲之九 8
?杨的主要贡献是在光学方面, 他因为对声学研
究得到的启示, 认为光也应当存在干涉现象 。
他是光的波动说在沉寂了近百年后, 又重新振
兴的早期学者之一 。 但是由于英国有牛顿的微
粒说统治, 波动说不是, 国货,, 所以在英国
没有多少支持者, 倒是反对者不少 。
?法国人 夫 瑞 奈 尔 （ Augustin Jean
Fresnel,1788－ 1827） 继承了并且用实验证实
了杨的学说, 才使波动说被广泛承认, 在后来
的 100年左右中居于主导地位 。
武际可,科技史选讲之九 9
?, 能量, 一词, 最 早 出 现 于 托 马 斯 ·杨
（ Thomas Young,1773,5,10－ 1829,5,10）
在 1807年出版的, 自然哲学讲义, (A Course
of Lecture on Natural Philosophy and
Mechanical Arts)在, 碰撞, 一讲中 。 他说：
,在应用力学碰到的几乎所有的情况中, 对
于产生运动所必要的功, 并不是与力 矩 成正
比, 而是与这个功所引起的运动的能量成正
比 。,
?他还说：, 应当用能量一词来表示物体的质
量或重量与表示速度的数的平方的积 。, 他
的建议一直没有引起多大的注意, 人们还是
用, 力, 的概念去表示能量 。
武际可,科技史选讲之九 10
?在同一本书中, 他定义了, 弹性模量,,
至今人们还是把弹性模量称为杨氏模量 。
他还在揭示表面张力现象方面作出了贡
献 。
?晚年他对埃及古文字产生了兴趣, 写了
一些很有影响的有关埃及历史与古文字
的论文 。
武际可,科技史选讲之九 11
托马斯 ·杨
Thomas
Young
1773－ 1829
武际可,科技史选讲之九 12
迈尔在能量守恒方面的工作
?迈尔 （ Julius Robert Mayer,1814－ 1878）
是德国的物理学家 。 大学时学医, 但他
并不喜欢当医生, 他当过随船医生, 工
作比较清闲 。 大约是在 1840年去爪哇的
航行中, 由于考虑动物体温问题而对物
理学发生了兴趣 。 当时许多人进行永动
机的实验都以失败而告终, 从童年时期
就给他留下了深刻的影响 。 这些使他猜
想, 机械功根本不可能产生于无, 。
武际可,科技史选讲之九 13
迈尔
Julius Robert
Mayer
1814－ 1878
武际可,科技史选讲之九 14
?在 1841年 9月 12日他给友人的信中最早
提及了热功当量 。 他说：, 对于我的能
用数学的可靠性来阐述的理论来说, 极
为重要的仍然是解决以下这个问题：某
一重物 （ 例如 100磅 ） 必须举到地面上多
高的地方, 才能使得与这一高度相应的
运动量和将该重物放下来所获得的运动
量正好等于将一磅 0℃ 的冰转化为 0℃ 的
水所必要的热量 。,
武际可,科技史选讲之九 15
? 1842年 3月, 迈尔写了一篇短文, 关于无机界
的力的看法, 寄给了, 药剂学和化学编年史,
的主编, 德国化学家李比希 （ Justus von
Liebig,1803－ 1873）, 李比希立即答应使用
这篇文章 。
?机械的热功当量在这篇文章中得到第一次说明 。
文中说：, 人们发现, 一重物从大约 365米高
处下落所做的功, 相当于把同重量的水从 0℃
升到 1℃ 所需的热量 。, 他的文章发表于 1842
年 5月 。
武际可,科技史选讲之九 16
?迈尔是最早进行热功当量实验的学者, 在 1842
年, 他用一匹马拉机械装置去搅拌锅中的纸浆,
比较了马所做的功与纸浆的温升, 给出了热功
当量的数值 。 他的实验比起后来焦耳的实验来,
显得粗糙, 但是他深深认识到这个问题的重大
意义 。
?他在 1842年底给友人的信中说：, 我主观认为,
表明我的定律的绝对真理性的是这种相反的证
明：即一个在科学上得到普遍公认的定理：永
动机的设计在理论上是绝对不可能的 （ 这就是
说, 即使人们不考虑力学上的困难, 比方说摩
擦等等, 人们也不可能成功地由思想上设计出
来 ） 。 而我的断言可以全部被视为从这种不能
原则中得出的纯结论 。 要是有人否认我的这个
定理, 那么我就能立即建造一部永动机 。,
武际可,科技史选讲之九 17
?迈尔的论文没有引起社会重视, 为了补足第一
篇论文没有计算, 过于简要的缺点, 他写了第
二篇论文, 结果如石沉大海, 没有被采用 。 他
论证了太阳是地球上所有有生命能与非生命能
的最终源泉 。
?后来亥姆霍兹与焦耳的论文相继发表, 人们将
能量守恒定理的发明人归于亥姆霍兹与焦耳 。
而他的论文既早又系统, 却不仅得不到承认,
而且还招来了一些攻击文章 。 再加 1848年, 他
祸不单行, 两个孩子夭折, 弟弟又因参加革命
活动受牵连 。 1849年, 迈尔从三楼跳下, 从此
成为重残, 而后又被诊断为精神分裂, 送入精
神病院, 医生们认为他经常谈论的那种新发现,
是一种自大狂的精神病症状 。
?迈尔的首先发现能量守恒定理, 一直到 1862年
才得到社会公认 。
武际可,科技史选讲之九 18
亥姆霍兹与他的, 论力的守恒,
?亥姆霍兹 （ Hermann von Helmholtz,1821－
1894） 出生在一个德国的穷教员家里, 1838
年, 17岁的亥姆霍兹尽管在中学入学考试中获
得十分优异的成绩, 可是因为交不起学费而只
好去作军医达 8年之久 。 1842年亥姆霍兹获得
了博士学位 。 1845年他参加了由年轻的学者组
织的柏林物理学协会, 之后他经常参加协会活
动, 除作军医之外他还研究一切他感兴趣的问
题 。
武际可,科技史选讲之九 19
? 1847年 7月 23日他向物理学协会作了题为, 论
力的守恒, 的著名报告 。 报告后, 他将文章交
给, 物理学编年史, 的编辑, 不料又和 6年前
迈尔的稿件一样的命运, 编辑以没有实验事实
而拒绝刊登 。
?后来他将这篇论文作为小册子在另一家有名的
出版社出版了 。 文章的结论与 1843年焦耳的实
验完全一致, 很快就被人们称为, 自然界最高
又最重要的原理, 。 时间仅差数年, 又由于有
有名的出版社出版, 他与迈尔的命运完全不同 。
后来英国学者开尔文采用了杨所提出的能量的
概念, 采用, 势能, 代替, 弹力,, 以, 动能,
代替, 活力,, 使在力学中延续了近 200年的
概念上含混不清的情况得到改变 。
武际可,科技史选讲之九 20
?亥姆霍兹在德国科学家发展中所起的组织作用。
1870年，他的老师马格努斯（ Heinrich Gustav
Magnus,1802－ 1870），德国最早的物理研究
所所长，逝世了。当时还是副教授的亥姆霍兹
继任为所长。
?那时，德国的科学研究水平，比起英国与法国
要落后得多。
?不久普法战争结束，德国从法国得到一大笔赔
款，德国的经济状况有所改善，亥姆霍兹得到
了 300万马克的经费去筹建新的研究所，经过 5
年的努力新研究所建成。这个研究所后来吸引
了大批优秀的年轻学者，而且它的研究课题同
工业的发展紧密联系，后来形成德国科学研究
的一个十分好的传统。
武际可,科技史选讲之九 21
亥姆霍兹
Hermann
von
Helmholtz
1821－ 1894
武际可,科技史选讲之九 22
焦耳的热功当量实验
?焦耳 （ James Prescott Joule,1818－ 1889） 是
一位英国富有的酿造商之子, 他的经济条件可
以提供他终生做研究工作 。 焦耳自幼身体虚弱,
脊柱曾受过伤, 因此他一心读书研究, 他父亲
为他提供了一个家庭实验室 。
? 1835年他认识了曼彻斯特大学的教授道尔顿,
受到过后者的指导, 焦耳的成功主要是靠自学
的 。
?焦耳对数学的知识很少, 他的研究主要是靠测
量 。 1840年他经过多次测量通电的导体, 发现
电能可以转化为热能, 并且得出一条定律：电
导体所产生的热量与电流强度的平方, 导体的
电阻和通过的时间成正比 。 他将这一定律写成
一篇论文, 论伏打电生热, 。
武际可,科技史选讲之九 23
?后来焦耳继续探讨各种运动形式之间的能量守
恒与转化关系, 1843年他发表了论文, 论水电
解时产生的热, 与, 论电磁的热效应和热的机
械值, 。 特别在后一篇论文中, 焦耳在英国学
术会议上宣称：, 自然界的能是不能毁灭的,
那里消耗了机械能, 总能得到相当的热, 热只
是能的一种形式 。,
?此后焦耳不断改进测量方法, 提高测量精度,
最后得到了一个被称为, 热功当量, 的物理常
数, 焦耳当时测得的值是 423.9 千克米 /千卡 。
现在这个常数的值是 418.4。
?后人为纪念他, 在国际单位制中采用焦耳为热
量的单位, 取 1卡＝ 4.184焦耳 。
武际可,科技史选讲之九 24
焦耳
James
Prescott
Joule
1818－ 1889
武际可,科技史选讲之九 25
焦耳的热功当量实验示意图
武际可,科技史选讲之九 26
§ 2 蒸汽机的发明
与应用
武际可,科技史选讲之九 27
?随着机器的广泛采用, 金属的需
要大量增加 。 而冶炼金属不仅要
开挖金属矿, 还需要大量煤 。 1533
年英国煤产量为 20万吨, 到 1640年
激增到 150万吨 。 英国的生铁冶炼
也随着大量增加, 1780年为 10万吨,
1800年为 25万吨, 到 1820年增加到
43万吨 。
武际可,科技史选讲之九 28
? 采矿工业的发展, 产生了矿井排水问题 。 1698
年英国人托马斯 ·塞维利 （ Thomas Savery,1650－
1715） 发明了利用蒸汽压力的抽水泵 ――,矿山
之友,, 并且报了专利 。 它的工作过程是：在
容器中通入蒸汽, 使蒸汽在容器中凝结, 利用
蒸汽凝结后所形成的真空把矿井中的水抽上来 。
这种泵有两大缺点, 一方面是对地下水位较低
（ 低于水泵 10m） 时就抽不上水, 另一方面是
由于突然进入容器的蒸汽压力过高而易于爆炸 。
因此很少被采用 。
武际可,科技史选讲之九 29
?1712 年, 英 国 人 托 马 斯 ·纽 可 曼 （ Thomas
Newcomen,1663－ 1729） 发明了大气压蒸 汽
机 。 这种机器具有汽缸与活塞,在工作时,先
把蒸汽导入汽缸,这时汽缸停止供汽而汽缸
内进水,蒸汽便遇冷凝结为水使汽缸内气压
迅速降低, 就可以使水吸上来 。 之后再把蒸
汽导入汽缸, 进行下一个循环 。 最初的这种
蒸汽机大约每分钟往返十次, 而且可以自动
工作, 使矿井的抽水工作大为便利, 所以不
仅英国人使用, 在德国与法国也在使用 。
早期的蒸汽机
武际可,科技史选讲之九 30
钮可曼
的
蒸汽机
武际可,科技史选讲之九 31
用于
矿山
抽水
的
蒸汽机
武际可,科技史选讲之九 32
瓦特对蒸汽机的改进
?蒸汽机不是瓦特的发明, 瓦特的贡献是
对蒸汽机进行了一系列改进 。 其中最重
要的改进有两项, 一项是发明了冷凝器
大大提高了蒸汽机的效率, 另一项是发
明了离心调速器使蒸汽机速度可自由控
制 。 在瓦特的改进之后蒸汽机才真正在
工业上被普遍使用 。
武际可,科技史选讲之九 33
?英国人瓦特 （ James Watt,1736－ 1819） 的父
亲作过木匠, 由于父亲的影响, 他从小熟悉一
些机械知识与工具的使用 。 瓦特幼年时体弱多
病, 不能上学, 由他母亲教他读书写字 。 18岁
后他到伦敦一家钟表店当学徒, 在业余时间还
努力学习 。
? 1756年瓦特返回家乡苏格兰,打算自己开业制
造机器 。 但是由于他当学徒的年限不够, 按照
当地政府的规定, 不能独立开业 。 于是他只好
在格拉斯哥大学谋得一个修理与制做教学仪器
的工作 。
武际可,科技史选讲之九 34
瓦特
James
Watt
1736－ 1819
武际可,科技史选讲之九 35
? 1763年, 格拉斯哥大学的一位教授委托瓦特修
理纽可曼蒸汽机的模型, 瓦特当时对蒸汽机所
知不多, 他便边学边修, 并且对蒸汽机产生了
浓厚的兴趣 。 蒸汽机的模型很快就修好了, 他
从此与蒸汽机结下了不解之缘 。 他进一步的研
究发现, 纽可曼的蒸汽机效率很低, 耗费蒸汽
太多 。 为了解决这个问题, 瓦特对不同气压之
下的水的沸腾现象进行了大量研究 。 他发现水
在大气压之下变为蒸汽时, 体积扩大了 1800倍 。
进一步的研究发现, 纽可曼的蒸汽机效率之所
以低是由于在用水去冷却汽缸时, 汽缸的温度
变冷了, 这样汽缸又要消耗过多的蒸汽去再加
热 。
武际可,科技史选讲之九 36
?1765年 5月瓦特提出了使蒸汽从汽缸排入
另一容器的想法, 这个容器后来被称为
冷凝器 。 经过反复试验与改进, 他的装
有冷凝器的蒸汽机在 1769年制成了, 并
在同年的 4月 25日提出了专利 。 新的蒸汽
机效率提高了很多 。
武际可,科技史选讲之九 37
? 瓦特的另一项重要发明是在蒸汽机上安装了离心调速器,
这大约是 1782年前后的事情 。 这种调速器的构造是利用
蒸汽机带动一根竖直的轴转动, 这根轴的顶端有两根铰
接的等长细杆, 细杆另一端各有一个金属球 。 当蒸汽机
转动过快时, 竖轴也转动加快, 两个金属小球在离心力
作用下, 由于转动快而升高, 这时通过与小球连接的连
杆便将蒸汽阀门关小, 从而蒸汽机的转速也便可以降低 。
反之, 若蒸汽机的转速过慢, 则竖轴转动慢了, 小球的
位置也便下降, 这时连杆便将阀门开大, 从而使蒸汽机
转速加快 。 离心调速器是一个基于力学原理的发明, 他
是蒸汽机所以能普及应用的关键,也是人类自动调节与
自动控制的开始 。 由于人们能够自由地控制蒸汽机的速
度, 才使蒸汽机应用于纺织, 火车, 轮船, 机械加工等
行业, 才使人类大量使用自然原动力成为可能, 这才有
产业革命的第二阶段 。
武际可,科技史选讲之九 38
瓦特的调速器
武际可,科技史选讲之九 39
瓦特的蒸汽机
图 15 瓦特的蒸汽机
武际可,科技史选讲之九 40
?瓦特因为改进与提高蒸汽机效率的需要,
研究了功率的单位 。 1783年, 他对一匹
健壮的马进行了实测, 确定它在一秒钟
内能将 150磅的重物提高约不到 4英尺 。
因此他把一马力规定为 550英尺磅 。 他是
最早引进功率概念的人, 后人为了纪念
他, 将公制的功率单位称为瓦特 （ 每 秒
钟一焦耳 ） 。
武际可,科技史选讲之九 41
? 应当说, 瓦特改进蒸汽机的成功, 除了他自己的勤奋之
外, 他幸运地遇到了热情赞助者也是重要条件 。
? 在格拉斯哥大学时, 他结识了当时在大学当教授的布拉
克 （ Joseph Black,1728－ 1799） 。 布拉克是一位很有名的
化学家与物理学家, 在物理学上, 他从 1764年开始对热
现象进行了系统的研究 。 他最早发现了水在相变时, 即
当由冰化为水或由水化为汽时, 要吸收大量的潜热, 从
而分清了温度与热量是两个不同的概念 。 瓦特从他那里
不仅得到了学识上的帮助, 他的热力学知识与力学知识
为瓦特改进蒸汽机提供了理论基础, 而且他借给瓦特一
大笔钱, 为瓦特的研究提供了经济支持 。
? 在瓦特的研究初具眉目时, 瓦特又遇到了一位独具慧眼
的 商 人 波 尔 顿 （ Matthew Boulton,1789－ 1864） 投资,
1775年成立了波尔顿－瓦特公司专门生产蒸汽机 。
武际可,科技史选讲之九 42
布拉克
Joseph
Black
1728－ 1799
武际可,科技史选讲之九 43
波尔顿
Matthew
Boulton
1789－ 1864
武际可,科技史选讲之九 44
?瓦特的改进蒸汽机的普及速度是很快的,
到 1790年老式的纽可曼蒸汽机已经看不
见了, 到 1790年大约有 500台蒸汽机在英
国工作 。 经过 了 大约 不 到 100年, 到了
1868年, 仅仅在英国就有 75,000台蒸汽机
之多 。
?1805年, 在美国蒸汽机被装上了汽车作
为动力 。
?1807 年, 美国的富尔顿 （ Robert
Fulton,1765－ 1815） 发明以蒸汽机为动力
的轮船 。
武际可,科技史选讲之九 45
富尔顿
Robert
Fulton
1765－ 1815
武际可,科技史选讲之九 46
武际可,科技史选讲之九 47
? 1825年斯梯文森 （ George Stephenson,1781
－ 1848） 造成了可以在轨道上行驶的蒸汽机车 。
? 1800 年英国的特里维希克 （ Richard
Trevithik,1771－ 1833） 发明了高压蒸汽机 。
? 1801年美国人埃文思 （ Oliver Evens,1755?－
1819） 造出了真正合用的高压蒸汽机 。 （ 合 10
个大气压 ）
武际可,科技史选讲之九 48
斯梯文森
George
Stephenson
1781－ 1848
武际可,科技史选讲之九 49
武际可,科技史选讲之九 50
特里维希克
Richard
Trevithik
1771－ 1833
武际可,科技史选讲之九 51
2001年 4月 28日纪念特里维希克
武际可,科技史选讲之九 52
狄塞尔的内燃机
?德国人狄塞尔 (Rudolf Diesel,1858-1913)曾
花费 10年多研究活塞式内燃机，写了一
本小册子，并且获得了专利。
?1893年狄塞尔造出了第一台样机。
?这种内燃机的优点是：可以烧便宜的重
油；不需要点火系统。缺点是噪音大。
武际可,科技史选讲之九 53
狄塞尔
Rudolf
Diesel
1858-1913
武际可,科技史选讲之九 54
狄塞尔
的内燃机
武际可,科技史选讲之九 55
内燃机的
运动过程
武际可,科技史选讲之九 56
武际可,科技史选讲之九 57
§ 3 热力学第二定律
武际可,科技史选讲之九 58
热力学第二定律
?在热力学中, 热力学第一定律, 即前面所说的
能量守恒定律的发现是与关于永动机的研究紧
紧相联系着的 。 而热力学第二定律的发现则是
和改进与提高蒸汽机的效率紧紧联系着的 。
?最早从理论上讨论蒸汽机的热效率的是法国人
卡诺 （ Nicolas Léonard Sadi Carnot,1796－
1832） 。 卡诺出身于法国的望族, 他的父亲是
法兰西第一共和国拿破伦一世政府的重要官员,
他的侄儿后来在法国第三共和国中担任了总统,
而他却没有从政, 成为一名科学家 。 不幸的是
他在 36岁时便死于流行霍乱 。
武际可,科技史选讲之九 59
卡诺
Nicolas
Léonard
Sadi
Carnot
1796－ 1832
武际可,科技史选讲之九 60
?瓦特改进了蒸汽机后, 尽管效率有很大
提高, 但是仍然很低 。, 在卡诺的时代,
只有 4－ 5％ 。 卡诺为热机产生的功率问
题所吸引, 他从一般的观点提出问题：
一架热机的效率最大能达到多大？ 在
1824年出版了他的研究结果, 题为, 论
火的动力, 小册子 。 这也是他一生中唯
一的科学著作 。
武际可,科技史选讲之九 61
?卡诺的结论是, 热机的最高效率取决于热机内
的温度差 。 对于一般的蒸汽机来说, 令 是蒸
汽的绝对温度, 是冷凝器的绝对温度, 则热
机所能达到的最大效率为 。 这个式子
说明, 热机的效率只取决于这里的两个温度,
而与热机使用的是什么介质, 是水, 是空气无
关, 也与在热机中的温度是怎样变化的, 是快,
是慢, 是均匀, 是不均匀无关 。 卡诺的研究结
果表明, 热量从高温物体向低温物体的趋势使
我们不可能从给定的热量获取最大的机械功 。
这便是后来称为热力学第二定律的内容 。
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武际可,科技史选讲之九 62
?在卡诺的结论提出后的 20年, 德国的物理学家
克劳修斯 （ Rudolf Julius Emmanuel Clausius,
1822－ 1888） 于 1865年提出了, 熵, 的概念 。
他把熵的改变 定义为 与从温度为 的物
体传出的热量 之间有关系 。 当同样
多的热量由另一温度为 的物体所吸收时, 该
物体的熵改变 。 这样, 如果 低于,
则两个物体的熵改变 将是正的 。 仅当两
个物体的温度相同时熵改变才为零 。 也就是说,
温度总是从高到低传播, 和在变化过程中熵总
是增加是等价的 。 这就是热力学第二定律的一
般表述 。 换句话说, 在任何变化中, 孤立系统
中的熵总是趋于增加的 。
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武际可,科技史选讲之九 63
克劳修斯
Rudolf
Julius
Emmanuel
Clausius
1822－ 1888
武际可,科技史选讲之九 64
? 熵增加的观点, 说明宇宙之间的物理变化是有方向的, 它不像经
典力学中的运动方程中将时间改变符号同样可以求解 。
? 关于宇宙间的过程是不可逆的这一点, 1874年英国物理学家 W.
汤姆逊有一段话说得好：, 假如宇宙中每一个粒子的运动在某个
任意的时刻都正好逆转过来, 那么从此之后自然界的过程将永远
沿着完全相反的方向进行 。 瀑布在其底端溅起的泡沫将会重新聚
集并落入水中；热运动将会重新聚集它们的能量, 使落下的水滴
重新组成一股上升的水流 。 由固体互相摩擦而产生, 因传导, 辐
射及吸收而消耗的热, 将会复返固体相接触的地方, 并使运动物
体抵抗它先前受到的力作反向运动 。 泥土将会变成砾石, 砾石将
会恢复它们原来参差不齐的形状, 最后重新将会成原先它们由之
而碎裂的山峰 。 而且, 如果关于生命的唯物主义假说是正确的,
那么生命将返老还童, 它们所记忆的是将来而不是过去, 最后变
成未出生时的状态 。 但是, 真实的生命现象无限地超出人类科学
的能力；关于它们的逆转过程的后果假想的推测是完全无益
的 。, [1]
?
[1] (美 )G.Holton著，张大卫等译,,物理科学的概念和理论导论,,上
册，人民教育出版社,1983，第 425－ 426页
武际可,科技史选讲之九 65
蒸汽涡轮机的发明
?帕森斯（ C.A.Parsons1854-1931 ）早年曾在杜柏林
大学和剑桥大学学习数学。他的数学才能帮助
他处理汽轮机有关的力学问题。
?帕森斯 1884年制成功率为 7.5千瓦转速为
18000转 /分的汽轮机。
? 1897年，他又用自己制成的汽轮机驱动轮船，
时速达到每小时 64公里。
? 1889年成立帕森斯公司专门制造汽轮机发电机
组。到 1926年帕森斯公司制成多极双排气装置
的汽轮机功率达 3万千瓦。
?到 20世纪 50年代可以达到入口汽温达到
560° C。
?到 20世纪 70年代已经可以生产 70万千瓦的汽轮
机发动机。
武际可,科技史选讲之九 66
帕森斯
Sir
C.A.Parsons
1854-1931
武际可,科技史选讲之九 67
现代的汽轮机转子
武际可,科技史选讲之九 68
武际可,科技史选讲之九 69
水轮机
武际可,科技史选讲之九 70
燃气轮机流动示意图
武际可,科技史选讲之九 71
§ 4 电和电机
武际可,科技史选讲之九 72
电和发电机
?法拉第 (Michael Farady,1791-1867)是伦
敦铁匠的儿子。 13岁在伦敦的一家公司
当差,后在一家装订厂当学徒到 21岁时作
为戴维 (Humphry Davy,1778-1829)的实
验室的助手。
?1831年 10月 17日，法拉第发现当磁棒从
线圈内抽出或插入时，线圈的导线上会
有电流通过。
武际可,科技史选讲之九 73
法拉第
Michael
Farady
1791-1867
武际可,科技史选讲之九 74
发电机的发明
?后来法拉第继续进行实验以达到能够作出实际
可供应用的发电机。
?真正可供应用的发电机是德国物理学家雅可比
(Moritz Hermann von Jacobi,1801-1872)于
1838年制成的。 1847年雅可比成为彼得堡院
士，这使他有条件更好、更复杂的电机。
?德国西门子（ Werner von Siemens,1826-
1901）研究出自激发电机原理，并于 1867年
写出了论文。
武际可,科技史选讲之九 75
西门子
Werner
von
Siemens
1826-1901
武际可,科技史选讲之九 76
爱迪生
Thomas
Edison
1847-1931
武际可,科技史选讲之九 77
爱迪生
武际可,科技史选讲之九 78
交流电机
?1882年法国化学家、物理学家吕西安 ?戈
拉德（ Ludien Caulard,1850-1888）申报
了交流, 电流二次发生器, 的专利。
?1882年特斯拉（ Nikola Tesla,1856-
1943）发明了交流多相异步电机。
?19世纪末，他又发明了交流变压器，解
决了远途输电的问题。终于以交流电打
垮了爱迪生对直流电的垄断。
武际可,科技史选讲之九 79
特斯拉
Nikola
Tesla
1856-1943
?
武际可,科技史选讲之九 80
马克斯威尔的工作
? 马克斯威尔（ James Maxwell,1831-1879）出
身于苏格兰的望族。从小显示了数学才能。
1850年入剑桥大学。毕业时为全班数学第二。
? 1864年到 1873年他把当时法拉第关于磁力线
的想法变成了数学形式。奠定了关于电磁的理
论基础。这就是著名的马克斯威尔方程组。
?他预言了电磁波的存在，并且认为光也是一种
电磁波。
武际可,科技史选讲之九 81
马克斯威尔
James
Maxwell
1831-1879
武际可,科技史选讲之九 82
§ 5 机床与机器
武际可,科技史选讲之九 83
毛兹利和他的车床
?毛兹利（ Henry Maudslay,1771-1831)生
于英国。 12岁起在兵工厂作童工。 15岁
在铁匠铺做学徒。
?1789年被招聘到英国最好的机械师布拉
马 (Joseph Bramah,1749-1814）处工作。
1797年离开，独立开厂。
?1797年毛兹利制造出全金属、刀具可以
滑动的车床。后来又进行改进，制成了
有丝杆的车床，能很好地切削螺丝。
武际可,科技史选讲之九 84
毛兹利
Henry
Maudslay
1771-1831
武际可,科技史选讲之九 85
1395年
欧洲的
车床
武际可,科技史选讲之九 86
武际可,科技史选讲之九 87
武际可,科技史选讲之九 88
毛兹利的车床
武际可,科技史选讲之九 89
1885年英国产品目录上的车床
武际可,科技史选讲之九 90
武际可,科技史选讲之九 91
武际可,科技史选讲之九 92
武际可,科技史选讲之九 93
老
式
车
间
武际可,科技史选讲之九 94
电气化的车间
武际可,科技史选讲之九 95
惠特沃斯的业绩
?惠特沃斯 (Joseph Whitworth,1803-1887）
14岁在叔父的棉纺厂当机工。
? 30岁时开始独立经营。在曼彻斯特建立机床工
厂，以向其他厂提供机床设备为主要业务。
? 惠特沃斯发明了精密加工所需的测长机。类似
现今的千分尺。
? 最早提出螺纹规范的建议，并且提出了一套标
准。后来变成英国的标准。
? 他毫无愧色地称得上是当时英国最好的机械工
程师。
武际可,科技史选讲之九 96
惠特沃斯
Joseph
Whitworth
1803-1887
?
武际可,科技史选讲之九 97
纳斯密希
? 纳斯密希 (James Nasmyth 1808-1890)于 1839
年发明蒸汽锤。这种汽锤能够分级调节锤锻力。
? 纳斯密希曾经在毛兹利手下工作过不到两年，
之后毛兹利逝世,1831年 8月回到苏格兰故乡
办厂。不久到利物浦办厂。
? 纳斯密希的厂生产蒸汽机、打桩机、汽锤。出
口俄罗斯
武际可,科技史选讲之九 98
纳斯密希
James
Nasmyth
1808-1890
武际可,科技史选讲之九 99
纳斯密斯的蒸汽锤在工作
武际可,科技史选讲之九 100
现代缝纫机的发明人豪
? 豪 (Elias Howe,1819-1867)只读过 3年书。
16岁离开父母到各地的机械加工厂工作，
掌握了各种机械工作技能。
?1844年由织布机的梭子启发，辞掉原来
工作埋头搞缝纫机发明。
?1845年作出了样机。
?1846年 9月 10日获得了缝纫机专利。
武际可,科技史选讲之九 101
豪
Elias
Howe
1819-1867
武际可,科技史选讲之九 102
这是豪送到专利局的缝纫机样机
武际可,科技史选讲之九 103
武际可,科技史选讲之九 104
武际可,科技史选讲之九 105
武际可,科技史选讲之九 106
武际可,科技史选讲之九 107
武际可,科技史选讲之九 108
结 束
产业革命与现代工业
科学技术史选讲
武际可,科技史选讲之九 2
? § 1 能量守恒定律的发现
? § 2 蒸汽机的发明与应用
? § 3 热力学第二定律
? § 4 电和电机
? § 5 机床与机器
武际可,科技史选讲之九 3
§ 1 能量守恒定律
的发现
武际可,科技史选讲之九 4
能量守恒定律的发现
?谈到能量守恒原理, 我们应当记得莱布尼兹最
早提出的活力守恒定律 。 在莱布尼兹时代, 动
量守恒, 角动量守恒, 以及 活力守恒定律 相继
建立起来了 。 人们本来可以继续发展已有的结
果得到更为广泛的守恒定律 。 但是由于人们对
热的本质了解得还不多, 而且认为热是一种由
,热素, 产生的运动 。 所以在莱布尼兹之后的
100年里, 在守恒定律的研究方面一直是停止
不前的 。 到了 19世纪中叶, 由于人们对热有了
清楚的认识, 在最一般意义之下的守恒定律才
被发现 。 即使是这样, 发现的过程也是很曲折
的 。
武际可,科技史选讲之九 5
永动机的研究热潮
?永动机的想法起源于印度，公元 1200年前后，
这种思想从印度传到了伊斯兰教世界，并从这
里传到了西方。
? 1635年，在英国注册了第一个永动机的专利，
到 1903年左右注册的就有大约 600个永动机的
专利。
? 1911年，美国专利局规定任何永动的机械专利
必须实际运行一年后才能申报。不过之后还是
有许多永动机的专利注册。
武际可,科技史选讲之九 6
各种不同的永动机
武际可,科技史选讲之九 7
托马斯 ·杨与他的研究
?托马斯 ·杨 （ Thomas Young,1773,5,10－
1829,5,10） 是一位多才多艺的神童, 他
两岁就能读书, 四岁可以读圣经 。 青年
时期学会了十几门外语, 会演奏多种乐
器 。 后来杨开始学医, 并且去德国求学,
1796年获哥廷根大学的博士学位, 1799
年回国在伦敦开业行医, 之后在皇家学
院讲授自然科学, 并于 1802年被任命为
皇家学会的外交秘书 。
武际可,科技史选讲之九 8
?杨的主要贡献是在光学方面, 他因为对声学研
究得到的启示, 认为光也应当存在干涉现象 。
他是光的波动说在沉寂了近百年后, 又重新振
兴的早期学者之一 。 但是由于英国有牛顿的微
粒说统治, 波动说不是, 国货,, 所以在英国
没有多少支持者, 倒是反对者不少 。
?法国人 夫 瑞 奈 尔 （ Augustin Jean
Fresnel,1788－ 1827） 继承了并且用实验证实
了杨的学说, 才使波动说被广泛承认, 在后来
的 100年左右中居于主导地位 。
武际可,科技史选讲之九 9
?, 能量, 一词, 最 早 出 现 于 托 马 斯 ·杨
（ Thomas Young,1773,5,10－ 1829,5,10）
在 1807年出版的, 自然哲学讲义, (A Course
of Lecture on Natural Philosophy and
Mechanical Arts)在, 碰撞, 一讲中 。 他说：
,在应用力学碰到的几乎所有的情况中, 对
于产生运动所必要的功, 并不是与力 矩 成正
比, 而是与这个功所引起的运动的能量成正
比 。,
?他还说：, 应当用能量一词来表示物体的质
量或重量与表示速度的数的平方的积 。, 他
的建议一直没有引起多大的注意, 人们还是
用, 力, 的概念去表示能量 。
武际可,科技史选讲之九 10
?在同一本书中, 他定义了, 弹性模量,,
至今人们还是把弹性模量称为杨氏模量 。
他还在揭示表面张力现象方面作出了贡
献 。
?晚年他对埃及古文字产生了兴趣, 写了
一些很有影响的有关埃及历史与古文字
的论文 。
武际可,科技史选讲之九 11
托马斯 ·杨
Thomas
Young
1773－ 1829
武际可,科技史选讲之九 12
迈尔在能量守恒方面的工作
?迈尔 （ Julius Robert Mayer,1814－ 1878）
是德国的物理学家 。 大学时学医, 但他
并不喜欢当医生, 他当过随船医生, 工
作比较清闲 。 大约是在 1840年去爪哇的
航行中, 由于考虑动物体温问题而对物
理学发生了兴趣 。 当时许多人进行永动
机的实验都以失败而告终, 从童年时期
就给他留下了深刻的影响 。 这些使他猜
想, 机械功根本不可能产生于无, 。
武际可,科技史选讲之九 13
迈尔
Julius Robert
Mayer
1814－ 1878
武际可,科技史选讲之九 14
?在 1841年 9月 12日他给友人的信中最早
提及了热功当量 。 他说：, 对于我的能
用数学的可靠性来阐述的理论来说, 极
为重要的仍然是解决以下这个问题：某
一重物 （ 例如 100磅 ） 必须举到地面上多
高的地方, 才能使得与这一高度相应的
运动量和将该重物放下来所获得的运动
量正好等于将一磅 0℃ 的冰转化为 0℃ 的
水所必要的热量 。,
武际可,科技史选讲之九 15
? 1842年 3月, 迈尔写了一篇短文, 关于无机界
的力的看法, 寄给了, 药剂学和化学编年史,
的主编, 德国化学家李比希 （ Justus von
Liebig,1803－ 1873）, 李比希立即答应使用
这篇文章 。
?机械的热功当量在这篇文章中得到第一次说明 。
文中说：, 人们发现, 一重物从大约 365米高
处下落所做的功, 相当于把同重量的水从 0℃
升到 1℃ 所需的热量 。, 他的文章发表于 1842
年 5月 。
武际可,科技史选讲之九 16
?迈尔是最早进行热功当量实验的学者, 在 1842
年, 他用一匹马拉机械装置去搅拌锅中的纸浆,
比较了马所做的功与纸浆的温升, 给出了热功
当量的数值 。 他的实验比起后来焦耳的实验来,
显得粗糙, 但是他深深认识到这个问题的重大
意义 。
?他在 1842年底给友人的信中说：, 我主观认为,
表明我的定律的绝对真理性的是这种相反的证
明：即一个在科学上得到普遍公认的定理：永
动机的设计在理论上是绝对不可能的 （ 这就是
说, 即使人们不考虑力学上的困难, 比方说摩
擦等等, 人们也不可能成功地由思想上设计出
来 ） 。 而我的断言可以全部被视为从这种不能
原则中得出的纯结论 。 要是有人否认我的这个
定理, 那么我就能立即建造一部永动机 。,
武际可,科技史选讲之九 17
?迈尔的论文没有引起社会重视, 为了补足第一
篇论文没有计算, 过于简要的缺点, 他写了第
二篇论文, 结果如石沉大海, 没有被采用 。 他
论证了太阳是地球上所有有生命能与非生命能
的最终源泉 。
?后来亥姆霍兹与焦耳的论文相继发表, 人们将
能量守恒定理的发明人归于亥姆霍兹与焦耳 。
而他的论文既早又系统, 却不仅得不到承认,
而且还招来了一些攻击文章 。 再加 1848年, 他
祸不单行, 两个孩子夭折, 弟弟又因参加革命
活动受牵连 。 1849年, 迈尔从三楼跳下, 从此
成为重残, 而后又被诊断为精神分裂, 送入精
神病院, 医生们认为他经常谈论的那种新发现,
是一种自大狂的精神病症状 。
?迈尔的首先发现能量守恒定理, 一直到 1862年
才得到社会公认 。
武际可,科技史选讲之九 18
亥姆霍兹与他的, 论力的守恒,
?亥姆霍兹 （ Hermann von Helmholtz,1821－
1894） 出生在一个德国的穷教员家里, 1838
年, 17岁的亥姆霍兹尽管在中学入学考试中获
得十分优异的成绩, 可是因为交不起学费而只
好去作军医达 8年之久 。 1842年亥姆霍兹获得
了博士学位 。 1845年他参加了由年轻的学者组
织的柏林物理学协会, 之后他经常参加协会活
动, 除作军医之外他还研究一切他感兴趣的问
题 。
武际可,科技史选讲之九 19
? 1847年 7月 23日他向物理学协会作了题为, 论
力的守恒, 的著名报告 。 报告后, 他将文章交
给, 物理学编年史, 的编辑, 不料又和 6年前
迈尔的稿件一样的命运, 编辑以没有实验事实
而拒绝刊登 。
?后来他将这篇论文作为小册子在另一家有名的
出版社出版了 。 文章的结论与 1843年焦耳的实
验完全一致, 很快就被人们称为, 自然界最高
又最重要的原理, 。 时间仅差数年, 又由于有
有名的出版社出版, 他与迈尔的命运完全不同 。
后来英国学者开尔文采用了杨所提出的能量的
概念, 采用, 势能, 代替, 弹力,, 以, 动能,
代替, 活力,, 使在力学中延续了近 200年的
概念上含混不清的情况得到改变 。
武际可,科技史选讲之九 20
?亥姆霍兹在德国科学家发展中所起的组织作用。
1870年，他的老师马格努斯（ Heinrich Gustav
Magnus,1802－ 1870），德国最早的物理研究
所所长，逝世了。当时还是副教授的亥姆霍兹
继任为所长。
?那时，德国的科学研究水平，比起英国与法国
要落后得多。
?不久普法战争结束，德国从法国得到一大笔赔
款，德国的经济状况有所改善，亥姆霍兹得到
了 300万马克的经费去筹建新的研究所，经过 5
年的努力新研究所建成。这个研究所后来吸引
了大批优秀的年轻学者，而且它的研究课题同
工业的发展紧密联系，后来形成德国科学研究
的一个十分好的传统。
武际可,科技史选讲之九 21
亥姆霍兹
Hermann
von
Helmholtz
1821－ 1894
武际可,科技史选讲之九 22
焦耳的热功当量实验
?焦耳 （ James Prescott Joule,1818－ 1889） 是
一位英国富有的酿造商之子, 他的经济条件可
以提供他终生做研究工作 。 焦耳自幼身体虚弱,
脊柱曾受过伤, 因此他一心读书研究, 他父亲
为他提供了一个家庭实验室 。
? 1835年他认识了曼彻斯特大学的教授道尔顿,
受到过后者的指导, 焦耳的成功主要是靠自学
的 。
?焦耳对数学的知识很少, 他的研究主要是靠测
量 。 1840年他经过多次测量通电的导体, 发现
电能可以转化为热能, 并且得出一条定律：电
导体所产生的热量与电流强度的平方, 导体的
电阻和通过的时间成正比 。 他将这一定律写成
一篇论文, 论伏打电生热, 。
武际可,科技史选讲之九 23
?后来焦耳继续探讨各种运动形式之间的能量守
恒与转化关系, 1843年他发表了论文, 论水电
解时产生的热, 与, 论电磁的热效应和热的机
械值, 。 特别在后一篇论文中, 焦耳在英国学
术会议上宣称：, 自然界的能是不能毁灭的,
那里消耗了机械能, 总能得到相当的热, 热只
是能的一种形式 。,
?此后焦耳不断改进测量方法, 提高测量精度,
最后得到了一个被称为, 热功当量, 的物理常
数, 焦耳当时测得的值是 423.9 千克米 /千卡 。
现在这个常数的值是 418.4。
?后人为纪念他, 在国际单位制中采用焦耳为热
量的单位, 取 1卡＝ 4.184焦耳 。
武际可,科技史选讲之九 24
焦耳
James
Prescott
Joule
1818－ 1889
武际可,科技史选讲之九 25
焦耳的热功当量实验示意图
武际可,科技史选讲之九 26
§ 2 蒸汽机的发明
与应用
武际可,科技史选讲之九 27
?随着机器的广泛采用, 金属的需
要大量增加 。 而冶炼金属不仅要
开挖金属矿, 还需要大量煤 。 1533
年英国煤产量为 20万吨, 到 1640年
激增到 150万吨 。 英国的生铁冶炼
也随着大量增加, 1780年为 10万吨,
1800年为 25万吨, 到 1820年增加到
43万吨 。
武际可,科技史选讲之九 28
? 采矿工业的发展, 产生了矿井排水问题 。 1698
年英国人托马斯 ·塞维利 （ Thomas Savery,1650－
1715） 发明了利用蒸汽压力的抽水泵 ――,矿山
之友,, 并且报了专利 。 它的工作过程是：在
容器中通入蒸汽, 使蒸汽在容器中凝结, 利用
蒸汽凝结后所形成的真空把矿井中的水抽上来 。
这种泵有两大缺点, 一方面是对地下水位较低
（ 低于水泵 10m） 时就抽不上水, 另一方面是
由于突然进入容器的蒸汽压力过高而易于爆炸 。
因此很少被采用 。
武际可,科技史选讲之九 29
?1712 年, 英 国 人 托 马 斯 ·纽 可 曼 （ Thomas
Newcomen,1663－ 1729） 发明了大气压蒸 汽
机 。 这种机器具有汽缸与活塞,在工作时,先
把蒸汽导入汽缸,这时汽缸停止供汽而汽缸
内进水,蒸汽便遇冷凝结为水使汽缸内气压
迅速降低, 就可以使水吸上来 。 之后再把蒸
汽导入汽缸, 进行下一个循环 。 最初的这种
蒸汽机大约每分钟往返十次, 而且可以自动
工作, 使矿井的抽水工作大为便利, 所以不
仅英国人使用, 在德国与法国也在使用 。
早期的蒸汽机
武际可,科技史选讲之九 30
钮可曼
的
蒸汽机
武际可,科技史选讲之九 31
用于
矿山
抽水
的
蒸汽机
武际可,科技史选讲之九 32
瓦特对蒸汽机的改进
?蒸汽机不是瓦特的发明, 瓦特的贡献是
对蒸汽机进行了一系列改进 。 其中最重
要的改进有两项, 一项是发明了冷凝器
大大提高了蒸汽机的效率, 另一项是发
明了离心调速器使蒸汽机速度可自由控
制 。 在瓦特的改进之后蒸汽机才真正在
工业上被普遍使用 。
武际可,科技史选讲之九 33
?英国人瓦特 （ James Watt,1736－ 1819） 的父
亲作过木匠, 由于父亲的影响, 他从小熟悉一
些机械知识与工具的使用 。 瓦特幼年时体弱多
病, 不能上学, 由他母亲教他读书写字 。 18岁
后他到伦敦一家钟表店当学徒, 在业余时间还
努力学习 。
? 1756年瓦特返回家乡苏格兰,打算自己开业制
造机器 。 但是由于他当学徒的年限不够, 按照
当地政府的规定, 不能独立开业 。 于是他只好
在格拉斯哥大学谋得一个修理与制做教学仪器
的工作 。
武际可,科技史选讲之九 34
瓦特
James
Watt
1736－ 1819
武际可,科技史选讲之九 35
? 1763年, 格拉斯哥大学的一位教授委托瓦特修
理纽可曼蒸汽机的模型, 瓦特当时对蒸汽机所
知不多, 他便边学边修, 并且对蒸汽机产生了
浓厚的兴趣 。 蒸汽机的模型很快就修好了, 他
从此与蒸汽机结下了不解之缘 。 他进一步的研
究发现, 纽可曼的蒸汽机效率很低, 耗费蒸汽
太多 。 为了解决这个问题, 瓦特对不同气压之
下的水的沸腾现象进行了大量研究 。 他发现水
在大气压之下变为蒸汽时, 体积扩大了 1800倍 。
进一步的研究发现, 纽可曼的蒸汽机效率之所
以低是由于在用水去冷却汽缸时, 汽缸的温度
变冷了, 这样汽缸又要消耗过多的蒸汽去再加
热 。
武际可,科技史选讲之九 36
?1765年 5月瓦特提出了使蒸汽从汽缸排入
另一容器的想法, 这个容器后来被称为
冷凝器 。 经过反复试验与改进, 他的装
有冷凝器的蒸汽机在 1769年制成了, 并
在同年的 4月 25日提出了专利 。 新的蒸汽
机效率提高了很多 。
武际可,科技史选讲之九 37
? 瓦特的另一项重要发明是在蒸汽机上安装了离心调速器,
这大约是 1782年前后的事情 。 这种调速器的构造是利用
蒸汽机带动一根竖直的轴转动, 这根轴的顶端有两根铰
接的等长细杆, 细杆另一端各有一个金属球 。 当蒸汽机
转动过快时, 竖轴也转动加快, 两个金属小球在离心力
作用下, 由于转动快而升高, 这时通过与小球连接的连
杆便将蒸汽阀门关小, 从而蒸汽机的转速也便可以降低 。
反之, 若蒸汽机的转速过慢, 则竖轴转动慢了, 小球的
位置也便下降, 这时连杆便将阀门开大, 从而使蒸汽机
转速加快 。 离心调速器是一个基于力学原理的发明, 他
是蒸汽机所以能普及应用的关键,也是人类自动调节与
自动控制的开始 。 由于人们能够自由地控制蒸汽机的速
度, 才使蒸汽机应用于纺织, 火车, 轮船, 机械加工等
行业, 才使人类大量使用自然原动力成为可能, 这才有
产业革命的第二阶段 。
武际可,科技史选讲之九 38
瓦特的调速器
武际可,科技史选讲之九 39
瓦特的蒸汽机
图 15 瓦特的蒸汽机
武际可,科技史选讲之九 40
?瓦特因为改进与提高蒸汽机效率的需要,
研究了功率的单位 。 1783年, 他对一匹
健壮的马进行了实测, 确定它在一秒钟
内能将 150磅的重物提高约不到 4英尺 。
因此他把一马力规定为 550英尺磅 。 他是
最早引进功率概念的人, 后人为了纪念
他, 将公制的功率单位称为瓦特 （ 每 秒
钟一焦耳 ） 。
武际可,科技史选讲之九 41
? 应当说, 瓦特改进蒸汽机的成功, 除了他自己的勤奋之
外, 他幸运地遇到了热情赞助者也是重要条件 。
? 在格拉斯哥大学时, 他结识了当时在大学当教授的布拉
克 （ Joseph Black,1728－ 1799） 。 布拉克是一位很有名的
化学家与物理学家, 在物理学上, 他从 1764年开始对热
现象进行了系统的研究 。 他最早发现了水在相变时, 即
当由冰化为水或由水化为汽时, 要吸收大量的潜热, 从
而分清了温度与热量是两个不同的概念 。 瓦特从他那里
不仅得到了学识上的帮助, 他的热力学知识与力学知识
为瓦特改进蒸汽机提供了理论基础, 而且他借给瓦特一
大笔钱, 为瓦特的研究提供了经济支持 。
? 在瓦特的研究初具眉目时, 瓦特又遇到了一位独具慧眼
的 商 人 波 尔 顿 （ Matthew Boulton,1789－ 1864） 投资,
1775年成立了波尔顿－瓦特公司专门生产蒸汽机 。
武际可,科技史选讲之九 42
布拉克
Joseph
Black
1728－ 1799
武际可,科技史选讲之九 43
波尔顿
Matthew
Boulton
1789－ 1864
武际可,科技史选讲之九 44
?瓦特的改进蒸汽机的普及速度是很快的,
到 1790年老式的纽可曼蒸汽机已经看不
见了, 到 1790年大约有 500台蒸汽机在英
国工作 。 经过 了 大约 不 到 100年, 到了
1868年, 仅仅在英国就有 75,000台蒸汽机
之多 。
?1805年, 在美国蒸汽机被装上了汽车作
为动力 。
?1807 年, 美国的富尔顿 （ Robert
Fulton,1765－ 1815） 发明以蒸汽机为动力
的轮船 。
武际可,科技史选讲之九 45
富尔顿
Robert
Fulton
1765－ 1815
武际可,科技史选讲之九 46
武际可,科技史选讲之九 47
? 1825年斯梯文森 （ George Stephenson,1781
－ 1848） 造成了可以在轨道上行驶的蒸汽机车 。
? 1800 年英国的特里维希克 （ Richard
Trevithik,1771－ 1833） 发明了高压蒸汽机 。
? 1801年美国人埃文思 （ Oliver Evens,1755?－
1819） 造出了真正合用的高压蒸汽机 。 （ 合 10
个大气压 ）
武际可,科技史选讲之九 48
斯梯文森
George
Stephenson
1781－ 1848
武际可,科技史选讲之九 49
武际可,科技史选讲之九 50
特里维希克
Richard
Trevithik
1771－ 1833
武际可,科技史选讲之九 51
2001年 4月 28日纪念特里维希克
武际可,科技史选讲之九 52
狄塞尔的内燃机
?德国人狄塞尔 (Rudolf Diesel,1858-1913)曾
花费 10年多研究活塞式内燃机，写了一
本小册子，并且获得了专利。
?1893年狄塞尔造出了第一台样机。
?这种内燃机的优点是：可以烧便宜的重
油；不需要点火系统。缺点是噪音大。
武际可,科技史选讲之九 53
狄塞尔
Rudolf
Diesel
1858-1913
武际可,科技史选讲之九 54
狄塞尔
的内燃机
武际可,科技史选讲之九 55
内燃机的
运动过程
武际可,科技史选讲之九 56
武际可,科技史选讲之九 57
§ 3 热力学第二定律
武际可,科技史选讲之九 58
热力学第二定律
?在热力学中, 热力学第一定律, 即前面所说的
能量守恒定律的发现是与关于永动机的研究紧
紧相联系着的 。 而热力学第二定律的发现则是
和改进与提高蒸汽机的效率紧紧联系着的 。
?最早从理论上讨论蒸汽机的热效率的是法国人
卡诺 （ Nicolas Léonard Sadi Carnot,1796－
1832） 。 卡诺出身于法国的望族, 他的父亲是
法兰西第一共和国拿破伦一世政府的重要官员,
他的侄儿后来在法国第三共和国中担任了总统,
而他却没有从政, 成为一名科学家 。 不幸的是
他在 36岁时便死于流行霍乱 。
武际可,科技史选讲之九 59
卡诺
Nicolas
Léonard
Sadi
Carnot
1796－ 1832
武际可,科技史选讲之九 60
?瓦特改进了蒸汽机后, 尽管效率有很大
提高, 但是仍然很低 。, 在卡诺的时代,
只有 4－ 5％ 。 卡诺为热机产生的功率问
题所吸引, 他从一般的观点提出问题：
一架热机的效率最大能达到多大？ 在
1824年出版了他的研究结果, 题为, 论
火的动力, 小册子 。 这也是他一生中唯
一的科学著作 。
武际可,科技史选讲之九 61
?卡诺的结论是, 热机的最高效率取决于热机内
的温度差 。 对于一般的蒸汽机来说, 令 是蒸
汽的绝对温度, 是冷凝器的绝对温度, 则热
机所能达到的最大效率为 。 这个式子
说明, 热机的效率只取决于这里的两个温度,
而与热机使用的是什么介质, 是水, 是空气无
关, 也与在热机中的温度是怎样变化的, 是快,
是慢, 是均匀, 是不均匀无关 。 卡诺的研究结
果表明, 热量从高温物体向低温物体的趋势使
我们不可能从给定的热量获取最大的机械功 。
这便是后来称为热力学第二定律的内容 。
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武际可,科技史选讲之九 62
?在卡诺的结论提出后的 20年, 德国的物理学家
克劳修斯 （ Rudolf Julius Emmanuel Clausius,
1822－ 1888） 于 1865年提出了, 熵, 的概念 。
他把熵的改变 定义为 与从温度为 的物
体传出的热量 之间有关系 。 当同样
多的热量由另一温度为 的物体所吸收时, 该
物体的熵改变 。 这样, 如果 低于,
则两个物体的熵改变 将是正的 。 仅当两
个物体的温度相同时熵改变才为零 。 也就是说,
温度总是从高到低传播, 和在变化过程中熵总
是增加是等价的 。 这就是热力学第二定律的一
般表述 。 换句话说, 在任何变化中, 孤立系统
中的熵总是趋于增加的 。
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武际可,科技史选讲之九 63
克劳修斯
Rudolf
Julius
Emmanuel
Clausius
1822－ 1888
武际可,科技史选讲之九 64
? 熵增加的观点, 说明宇宙之间的物理变化是有方向的, 它不像经
典力学中的运动方程中将时间改变符号同样可以求解 。
? 关于宇宙间的过程是不可逆的这一点, 1874年英国物理学家 W.
汤姆逊有一段话说得好：, 假如宇宙中每一个粒子的运动在某个
任意的时刻都正好逆转过来, 那么从此之后自然界的过程将永远
沿着完全相反的方向进行 。 瀑布在其底端溅起的泡沫将会重新聚
集并落入水中；热运动将会重新聚集它们的能量, 使落下的水滴
重新组成一股上升的水流 。 由固体互相摩擦而产生, 因传导, 辐
射及吸收而消耗的热, 将会复返固体相接触的地方, 并使运动物
体抵抗它先前受到的力作反向运动 。 泥土将会变成砾石, 砾石将
会恢复它们原来参差不齐的形状, 最后重新将会成原先它们由之
而碎裂的山峰 。 而且, 如果关于生命的唯物主义假说是正确的,
那么生命将返老还童, 它们所记忆的是将来而不是过去, 最后变
成未出生时的状态 。 但是, 真实的生命现象无限地超出人类科学
的能力；关于它们的逆转过程的后果假想的推测是完全无益
的 。, [1]
?
[1] (美 )G.Holton著，张大卫等译,,物理科学的概念和理论导论,,上
册，人民教育出版社,1983，第 425－ 426页
武际可,科技史选讲之九 65
蒸汽涡轮机的发明
?帕森斯（ C.A.Parsons1854-1931 ）早年曾在杜柏林
大学和剑桥大学学习数学。他的数学才能帮助
他处理汽轮机有关的力学问题。
?帕森斯 1884年制成功率为 7.5千瓦转速为
18000转 /分的汽轮机。
? 1897年，他又用自己制成的汽轮机驱动轮船，
时速达到每小时 64公里。
? 1889年成立帕森斯公司专门制造汽轮机发电机
组。到 1926年帕森斯公司制成多极双排气装置
的汽轮机功率达 3万千瓦。
?到 20世纪 50年代可以达到入口汽温达到
560° C。
?到 20世纪 70年代已经可以生产 70万千瓦的汽轮
机发动机。
武际可,科技史选讲之九 66
帕森斯
Sir
C.A.Parsons
1854-1931
武际可,科技史选讲之九 67
现代的汽轮机转子
武际可,科技史选讲之九 68
武际可,科技史选讲之九 69
水轮机
武际可,科技史选讲之九 70
燃气轮机流动示意图
武际可,科技史选讲之九 71
§ 4 电和电机
武际可,科技史选讲之九 72
电和发电机
?法拉第 (Michael Farady,1791-1867)是伦
敦铁匠的儿子。 13岁在伦敦的一家公司
当差,后在一家装订厂当学徒到 21岁时作
为戴维 (Humphry Davy,1778-1829)的实
验室的助手。
?1831年 10月 17日，法拉第发现当磁棒从
线圈内抽出或插入时，线圈的导线上会
有电流通过。
武际可,科技史选讲之九 73
法拉第
Michael
Farady
1791-1867
武际可,科技史选讲之九 74
发电机的发明
?后来法拉第继续进行实验以达到能够作出实际
可供应用的发电机。
?真正可供应用的发电机是德国物理学家雅可比
(Moritz Hermann von Jacobi,1801-1872)于
1838年制成的。 1847年雅可比成为彼得堡院
士，这使他有条件更好、更复杂的电机。
?德国西门子（ Werner von Siemens,1826-
1901）研究出自激发电机原理，并于 1867年
写出了论文。
武际可,科技史选讲之九 75
西门子
Werner
von
Siemens
1826-1901
武际可,科技史选讲之九 76
爱迪生
Thomas
Edison
1847-1931
武际可,科技史选讲之九 77
爱迪生
武际可,科技史选讲之九 78
交流电机
?1882年法国化学家、物理学家吕西安 ?戈
拉德（ Ludien Caulard,1850-1888）申报
了交流, 电流二次发生器, 的专利。
?1882年特斯拉（ Nikola Tesla,1856-
1943）发明了交流多相异步电机。
?19世纪末，他又发明了交流变压器，解
决了远途输电的问题。终于以交流电打
垮了爱迪生对直流电的垄断。
武际可,科技史选讲之九 79
特斯拉
Nikola
Tesla
1856-1943
?
武际可,科技史选讲之九 80
马克斯威尔的工作
? 马克斯威尔（ James Maxwell,1831-1879）出
身于苏格兰的望族。从小显示了数学才能。
1850年入剑桥大学。毕业时为全班数学第二。
? 1864年到 1873年他把当时法拉第关于磁力线
的想法变成了数学形式。奠定了关于电磁的理
论基础。这就是著名的马克斯威尔方程组。
?他预言了电磁波的存在，并且认为光也是一种
电磁波。
武际可,科技史选讲之九 81
马克斯威尔
James
Maxwell
1831-1879
武际可,科技史选讲之九 82
§ 5 机床与机器
武际可,科技史选讲之九 83
毛兹利和他的车床
?毛兹利（ Henry Maudslay,1771-1831)生
于英国。 12岁起在兵工厂作童工。 15岁
在铁匠铺做学徒。
?1789年被招聘到英国最好的机械师布拉
马 (Joseph Bramah,1749-1814）处工作。
1797年离开，独立开厂。
?1797年毛兹利制造出全金属、刀具可以
滑动的车床。后来又进行改进，制成了
有丝杆的车床，能很好地切削螺丝。
武际可,科技史选讲之九 84
毛兹利
Henry
Maudslay
1771-1831
武际可,科技史选讲之九 85
1395年
欧洲的
车床
武际可,科技史选讲之九 86
武际可,科技史选讲之九 87
武际可,科技史选讲之九 88
毛兹利的车床
武际可,科技史选讲之九 89
1885年英国产品目录上的车床
武际可,科技史选讲之九 90
武际可,科技史选讲之九 91
武际可,科技史选讲之九 92
武际可,科技史选讲之九 93
老
式
车
间
武际可,科技史选讲之九 94
电气化的车间
武际可,科技史选讲之九 95
惠特沃斯的业绩
?惠特沃斯 (Joseph Whitworth,1803-1887）
14岁在叔父的棉纺厂当机工。
? 30岁时开始独立经营。在曼彻斯特建立机床工
厂，以向其他厂提供机床设备为主要业务。
? 惠特沃斯发明了精密加工所需的测长机。类似
现今的千分尺。
? 最早提出螺纹规范的建议，并且提出了一套标
准。后来变成英国的标准。
? 他毫无愧色地称得上是当时英国最好的机械工
程师。
武际可,科技史选讲之九 96
惠特沃斯
Joseph
Whitworth
1803-1887
?
武际可,科技史选讲之九 97
纳斯密希
? 纳斯密希 (James Nasmyth 1808-1890)于 1839
年发明蒸汽锤。这种汽锤能够分级调节锤锻力。
? 纳斯密希曾经在毛兹利手下工作过不到两年，
之后毛兹利逝世,1831年 8月回到苏格兰故乡
办厂。不久到利物浦办厂。
? 纳斯密希的厂生产蒸汽机、打桩机、汽锤。出
口俄罗斯
武际可,科技史选讲之九 98
纳斯密希
James
Nasmyth
1808-1890
武际可,科技史选讲之九 99
纳斯密斯的蒸汽锤在工作
武际可,科技史选讲之九 100
现代缝纫机的发明人豪
? 豪 (Elias Howe,1819-1867)只读过 3年书。
16岁离开父母到各地的机械加工厂工作，
掌握了各种机械工作技能。
?1844年由织布机的梭子启发，辞掉原来
工作埋头搞缝纫机发明。
?1845年作出了样机。
?1846年 9月 10日获得了缝纫机专利。
武际可,科技史选讲之九 101
豪
Elias
Howe
1819-1867
武际可,科技史选讲之九 102
这是豪送到专利局的缝纫机样机
武际可,科技史选讲之九 103
武际可,科技史选讲之九 104
武际可,科技史选讲之九 105
武际可,科技史选讲之九 106
武际可,科技史选讲之九 107
武际可,科技史选讲之九 108
结 束
