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1.焦耳
十八世纪,人们对热的本质的研究走了一条弯路,人们一直没有办法解决热和功的关系的问题,是英国自学成才的物理学家詹姆斯o普雷斯科特o焦耳为最终解决这一问题指明了道路。
焦耳1818年12月24日生于英国,他自幼跟随父亲参加酿酒劳动,没有受过正规的教育。青年时期,在别人的介绍下,焦耳认识了着名的化学家道尔顿,向他虚心学习了数学、哲学和化学,这些知识为焦耳后来的研究奠定了理论基础,而且道尔顿激发了焦耳对化学和物理的兴趣。
1840年12月,他在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文,提出电流通过导体产生热量的定律;由于不久楞次也独立地发现了同样的定律,这个定律被称为焦耳-楞次定律。
焦耳的主要贡献是他钻研并测定了热和机械功之间的当量关系。这方面研究工作的第一篇论文是1843年发表的。此后,他用不同材料进行实验,并不断改进实验设计,后来他将多年的实验结果写成论文发表在英国皇家学会《哲学学报》1850年第140卷上,其中阐明:第一,不论固体或液体,摩擦所产生的热量,总是与所耗的力的大小成比例。第二,要产生使1磅水(在真空中称量,其温度在50~60华氏度之间)增加1华氏度的热量,需要耗用772磅重物下降1英尺的机械功。他精益求精,直到1878年还有测量结果的报告。他近40年的研究工作,为热运动与其他运动的相互转换,运动守恒等问题,提供了无可置疑的证据,焦耳因此成为能量守恒定律的发现者之一。
1852年焦耳和Wo汤姆孙(即开尔文)发现气体自由膨胀时温度下降的现象,被称为焦耳-汤姆孙效应。这效应在低温和气体液化方面有广泛应用。他对蒸汽机的发展作了不少有价值的工作,还第一次计算了有关气体分子的速度。
1850年,焦耳凭借他在物理学上作出的重要贡献成为英国皇家学会会员。18xxx10月11日,焦耳在索福特逝世。后人为了纪念焦耳,把功和能的单位定为焦耳。
在去世前两年,焦耳对他的弟弟说:"我一生只做了两三件事,没有什么值得炫耀的。"焦耳的谦虚是非常真诚的,如果他知道了在威斯敏斯特教堂为他建造了纪念碑,并以他的名字命名能量单位,他将会感到惊奇,虽然后人决不会感到惊奇。
2.一些功率和机械效率
液晶显示电子手表耗电功率小于10-5W,飞行中的苍蝇功率约为2×10-5W左右,液晶显示小型电子计算器耗电功率为(0.2-0.3)10-3W,喷气客机的功率为2.1×108W,三峡电站水流功率为1.8×1010W,电动剃须刀的功率大于10W,人的平均功率为35~75W,电风扇的功率为38~65W,家用电熨斗的功率为300~1000W,摩托车的功率为1.6~1.8kW,国产小轿车的功率为55~88kW,国产大客车的功率为66~162kW,推土机的功率为107~147kW,一般机车的功率为1.5kW,万吨级远洋轮船发动机的功率为7.4×103kW,大型轧钢机的功率为3.7×104kW,远程火箭发动的功率为机2×1010kW,脉冲激光器的功率为109kW,新星爆发的功率为1029kW,超新星爆发的功率为1033kW。
常见机械的机械效率:起重机40%~50%,滑轮组50%~70%,抽水机60%~80%,一般电梯的机械效率在0.5~0.55左右。
3.瓦特与蒸汽机
詹姆斯o瓦特是英国着名的发明家,是工业革命时期的重要人物。
1736年1月19日,瓦特生于英国格拉斯哥。童年时代的瓦特曾在文法学校念过书,然而没有受过系统教育。瓦特在父亲做工的工厂里学到许多机械制造的知识,后来他到伦敦的一家钟表店当学徒。1763年瓦特到格拉斯大学工作,修理教学仪器,在大学里经常和教授讨论理论和技术问题。
瓦特对当时已出现的蒸汽机原始雏形作了一系列的重大改进,发明了单缸单动式和单缸双动式蒸汽机,提高了蒸汽机的热效率和运行可靠性,对当时社会生产力的发展作出了杰出贡献。1785年,他因改进蒸汽机的重大贡献,被选为英国皇家学会会员。他还发明了气压表、汽动锤。后人为了纪念他,将功率的单位称为瓦特。
1819年8月25日瓦特在靠近伯明翰的希斯菲德逝世。在瓦特的讣告中,对他发明的蒸汽机有这样的赞颂:"它武装了人类,使虚弱无力的双手变得力大无穷,健全了人类的大脑以处理一切难题。它为机械动力在未来创造奇迹打下了坚实的基础,将有助并报偿后代的劳动。"
4.功率的常用单位--马力
马力是工程技术上常用的一种计量功率的单位。在我国工程技术中,通常说的"马力"是指"米制马力"而不是"英制马力"。
英国、美国等一些国家采用的是英制马力。在18世纪后期,英国物理学家瓦特(1736-1819)为了测定新制造出来的蒸汽机的功率,他把马力的定义规定为:在1分钟内把1000磅的重物升高33英尺的功。这就是英制马力,用字母HP表示。1英制马力等于550英尺·磅/秒,等于745.7瓦特。
米制马力的规定完全是人为的,它取了一个非常接近英制马力的值。1米制马力规定为:在1秒钟内完成75千克力o米的功。即:1米制马力=75千克力o米/秒=735瓦特。1英制马力=1.0139米制马力。米制马力没有专门的字母表示,1米制马力的值和1英制马力的值也是不同的。
马力在我国法定计量单位中已废除。
5.风能和水能
在地球上,海水朝涨夕落,江河日夜奔流;有时微风拂面,有时狂风劲吹。从能量的角度来看,自然界的流水和风都是具有大量机械能的天然资源,是可以用来为人类服务的。
水能:
早在一千九百多年前,我们的祖先就制造了木制的水轮,让流水冲击水轮转动,用来汲水、磨粉、碾谷。如图13-14所示,就是古老的水磨。
随着生产规模的扩大,社会上越来越需要强大的动力机械,这种需要推动了科学技术的发展。
到18世纪,人们已造出大功率的水轮机,供纺织厂、冶金厂使用。但是工厂必须建造在河流旁。
自从掌握了电的知识以后,到19世纪人类就会用水轮机带动发电机发电,再把电送到工厂中去。这样,工厂就可以建在更为合适的地方,不必一定要建在河边了。
随着科学技术的不断发展,人们已能制造越来越大,越来越好的水轮机。现代的大型水轮机不但功率大,可达几十万千瓦,而且效率高,可达90%以上。
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水要具有较大的能量。为此,可以修筑拦河坝,来提高坝前的上游水位,而在下游一侧坝的下方安装水轮机。水位提得越高,水的重力势能越大,单位时间内流入水轮机的水具有的能量就越大,转化成水轮机的动能就越大,即水轮机的功率越大。现代大型水电站的拦河坝修得很高,甚至超过300m。
我国有较大的河流1500多条,水能蕴藏量达6.8亿千瓦,其中可以开发利用的有3.8亿千瓦,居世界第一位。建国以来,我们在水能利用上已取得了很大成绩,在黄河、长江、西南各省水源丰富的地方,建立了许多中小型水电站。正在开发建设的三峡水电站总装机容量1820万千瓦,年发电量847亿千瓦时以上。
风能:
我国早在两千多年前就开始利用风来驱动帆船航行,至少在一千七百多年前已开始利用风来推动风车做功。
风能利用起来比较简单,而且不会污染环境。但是风能不稳定,也不便于储存。我国在沿海岛屿和草原牧区有较丰富的风能,在这些地方可利用风力发动机做一些允许间断的工作。
利用风力也可发电。单个风力发电机的输出功率较小,在风力资源丰富的地区,可同时安装几十台到几百台风力发电机,联在一起供电。
7.三峡工程将创二十多项世界之最
三峡工程将创下多少世界纪录?中国长江三峡工程开发总公司副总经理王家柱说,三峡工程至少有20多项世界之最。
三峡水库总库容为393亿立方米,防洪库容221.5亿立方米,水库调洪可消减洪峰流量达每秒2.7─3.3万立方米,是世界上防洪效益最为显着的水利工程。
三峡水电站总装机1820万千瓦,年发电量847亿千瓦时,是世界上最大的电站。
三峡水库回水可改善川江650km的航道,使宜渝船队吨队由现在的3000吨级提高到万吨级,年单向通过能力由1000万吨增加到5000万吨,是世界上航运效益最为显着的水利工程。
三峡工程包括两岸非溢流坝在内,总长2335m。汇流坝段483m,水电站机组70万千瓦×26台,双线5级船闸+升船机,无论单项、总体都是世界上建筑规模最大的水利工程。
三峡工程是世界上工程量最大、施工强度最大、施工期流量最大的水利工程。
三峡工程深水围堰最大水深60m,土石方月填筑量170万立方米,混凝土月灌量45万立方米,碾压混凝土最大月浇筑量38万立方米,月工程量都突破世界纪录,是水利施工强度最大的工程。
三峡工程截流设计流量9010立方米/秒,施工导流最大洪峰流量79000立方米/秒,是世界水利工程施工期流量最大的工程。