23.4　应用科学中一些导致产生新型技术的发展

研究过去工艺技术中的实际问题，科学方法之一是通过科学家汇编的各种工艺技术的说明来进行，诸如17世纪由皇家学会资助的那些实例，以及18世纪法国百科全书学派的那些实例。除了改造长期以来建立的技术分支，在某些情况下，新的技术发现也会打下全新技术分支的基础，而这一分支从未有过工艺方面的先驱，尽管这一趋势的全盛时期出现在我们现在讨论的这一时期之后。在那时，最终导致产生新技术的最重要、最根本的科学进步，主要还是与对各种形式的能量的研究有关。

应用科学也有许多新进展。我们在很短的篇幅里很难深入全面地列出所有应用方面的新发现，但有两个明显而又常被引用的例子，分别是用煤气提供人工照明以及从熔融铁中适当除去碳而大批量生产钢。

煤气工业的发展（第9章）第一次为大型房屋，例如工厂厂房，提供了相当廉价的人工照明，工作不再受白天时间长短的限制，轮班工作的实际可行让因为昂贵而长期被搁在一边的机械得到应用。

对熔融铁进行部分脱碳来制造钢是另一项极为重要的新发明，虽然它的实际应用是在目前讨论的这一时期之后完成的。这项发明为建筑提供了所需要的廉价钢材。第一座通过向炉里的熔融铁吹入空气以除去过量的碳等可燃杂质的贝塞麦转炉约于1856年投入运行。第一座在氧化条件下熔化铁以大量生产钢材的西门子—马丁平炉约于同一时期建成。

如上所述，产生新技术的科学发现主要是与能量的变化有关，其中在电学领域里的发现则尤为重要。

来自化学源的电　直到具有历史意义的电堆由伏打（Volta，1745—1827）发明之时，电还主要是通过摩擦产生出来才为人所知并进行研究的，但大多数以静电形式出现的电包含的电能极其微小。18世纪中期，在电容器或莱顿瓶发明之后，人们才能够研究更大的电量。富兰克林（Benjamin Franklin）于1746—1752年对电的研究，导致他发明了非常实用的避雷装置，可以确保低雷雨云安全放电而不致危及建筑物。

伏打电堆是用浸过盐水的吸收能力强的圆纸片将铜或银的圆盘与锌或锡的圆盘分隔开构成的。把这一连串的圆盘连起来构成长的圆柱体，在最顶部和最低部的圆盘之间便会产生高电压，这样就能获得大的电流。伏打电堆构成了一个原始的电池，后来更为高效的电池被生产出来，它们都是由于内部化学变化产生出电来的。电池对于电学的发展非常重要。按照其构成方法，戴维于1807年用相应的熔融碱性化合物，通过电解法把钠和钾分离出来。这一发现成为大型现代电化学工业（如铝工业）的开端，虽然其萌芽期很长。

电磁学　对通过电池供应电流的导线周围磁效应的研究，导致人们发现了许多基本的电磁现象。电磁现象的发现又产生了今天全部的大型发电工业和用电工业，虽然其发展速度还是太慢。1820年，丹麦物理学家奥斯特（H.C.Oersted，1777—1851）第一次观察到带有电流的铜线周围存在磁场。有关带电导体周围这种电磁力场的各项定律由安培（A.M.Ampère，1775—1836）等科学家建立。

1831年，法拉第对奥斯特的发现作了补充，明确当导体在磁场中运动时会产生出电流。他对电磁感应的观察，完备了电流和导体相互依存的电磁现象的科学知识。发电机的线圈在磁场中转动时，会产生巨大的电流，这一发现在工业上的意义无须多说。

把发电机倒过来使用，让电流通过绕在磁场中一个可移动电枢上的线圈，线圈上会产生作用力使电枢旋转。这便是如今极其重要的电动机的基本原理，尽管电动机的研发又略微超出我们现在讨论的这一时期。

能量的精确测定：热力学定律的发现　19世纪上半叶的科学发现都不太明确，但同样是基础性的，比如电磁学中通过精确测定能量而得出的发现。这些测定导致了人们对热力学定律的清晰理解。直至今天，它们一方面渗入到动力生产的方方面面，另一方面也是大部分化学工业的决定性因素。然而，由于下列原因，这些非常重要的科学发现对技术的影响却比较滞后。

根据相互关联的自然现象，人们比较容易理解怎样把某些科学发现应用到整个工艺技术群中去。举例来说，在青铜器时代，通过加锡使铜变硬的发现可以影响到所有的金属使用者。怎样廉价而又精确地控制铁中的碳含量，这一发现大范围地影响到铁器时代的所有钢铁用户。但是更为抽象的发现，例如那些有关电的电化学生产方法的发现，在它们获得广泛的技术影响之前，需要有相当长的一段滞后时间。更为抽象的热力学定律，在1800—1850年间才最后建立起来。

热能的测定以及其他形式能量的测定，在概念上很难与测量长度相比，因为恰当的比较标准无法找到。然而，从技术上来讲这是非常有意义的，按科学原理建造的第一台蒸汽机就与布莱克如何测量热能的发现（边码673）密切相关。布莱克采用给定质量的水升高的温度作为水吸收热的量度，这一测量模式使得准确测定蒸汽机在单位时间里吸收热能的量成为可能。布莱克采用这种办法发现，水在刚被转化成同温度的蒸汽的过程中，会吸收大量的热，这些热量变成了蒸汽中的“潜热”，潜热借助于蒸汽机可以部分地转化成有用的机械能。瓦特与布莱克密切合作，发现了测定机械能或机械功的方法，就是通过测定马拉起挂在滑轮上的重物所用的力。综合这些热能和机械能的测定，瓦特是第一位能够从原理上确定他的蒸汽机效率的动力工程师，其效率就是获得的机械能与吸收的热能的比率，虽然当时这些概念并不是都已搞清楚了。

在这个阶段，关于蒸汽动力的基本能量测定方法仍然有一些难以处理的分歧。布莱克测定热能的方法虽说是定量的，却是根据一个比较的标准来测定，不同于瓦特测量机械能的那种方法。经过1840—1850年间的实验研究，这个分歧由焦耳（J.P.Joule，1818—1889）消除了。他使用了一套搅动叶片装置，把一定量的机械能转化为水中的热能，求得已知质量的水升高的温度，就可以确定机械能的等价热。从那时起，人们便能根据极准确的能量平衡表进行动力生产。准确记录不同形式的能量之间交换的平衡表是以热力学第一定律为根据。这一定律指出：在任何物理过程中，能量既不能被创造，也不会消失。能量会以新的形式出现，但对于消失的其他形式的能量而言，它们在数量上是相等的。(https://www.daowen.com)

热力学第二定律是由克劳修斯（R.J.E.Clausius，1822—1888）和开尔文勋爵于1851年阐明的，他们对此作了一个表面上看起来更宽泛的表述：理论上，任何发动机都有一个将热能转化为有用功的效率的最大值。其效率都有理论上的最大值。从开尔文勋爵的发现中可以推导出的非常重要的一点是，在大多数可以观测的能量转化中，不论所涉及的热能是以什么形式存在，都能证明它们受热力学第二定律控制。动力生产技术和化学工业技术都涉及热能的非常基本的存在形式，所以都受热力学第二定律支配。这条定律对能够设计出的任何能量转换设备的效率都施加了自然限制，因而也为能够控制的实际操作提供了充分可靠的标准。

与其他许多科学发现一样，尽管热力学第二定律有巨大的实用价值，但它的技术意义也是逐渐被人接受的。它的正式阐述在科学与技术之间相互转化的关系上是一个重大事件，至此本章就可以恰当地结束了。

23.4 应用科学中一些导致产生新型技术的发展

23.4　应用科学中一些导致产生新型技术的发展