很多人都说,永动机是不可能存在的,它不符合物理定律。
可为什么我们看到的世界,大到宇宙天体,小到物体分子,都在不停地运动着呢?
第一代永动机
永动机并不是某种机器的专有名,而是一种产生在人们脑袋里的想法。
这种想法最先在印度人脑子里出现,到公元1200年,一群伊斯兰教跋山涉水,将这种想法传到了欧洲。
当时欧洲的法国,有位叫亨内考的人,觉得这种想法很新奇,于是试着研究出一款真正的永动机。
根据他留下的图纸来看,这款永动机十分的简单,一个可以滚动的轮子,上面均匀连接着可以摆动的小棍,棍上分别装上重物。
结构简单,原理也很简单,靠着齿轮对连接杆的支撑,使轮两边的球离圆心不等,左边离得近,右边离得远。
离圆心近这边,力矩就要小些,离得远这边,力矩就要大些。小大交替,轮子就能不停地转动。
想法很精妙,但他忽略了一个问题,由于连接杆的摆动,导致两边小球无法均匀的分布,尽管力矩大小有差距,但是小球的密度弥补了这一差距。
比如左侧小球力矩小,但密集的小球可能带来更多的重量,右侧同理,因为小球稀疏,重量变小。
小球的重量差异,均衡了力矩的大小差异,这样一直运动,总能在某一时刻达到平衡,从而停止转动。
亨内考的永动机显然是失败了。
到文艺复兴时期,艺术家达芬奇也设计了一款永动机,原理跟亨内考的类似,同样都是一个转动的轮子,上面放小球。
只是这些小球不是用小棍连接,而是直接在轮子上做出可以滚动的轨道。
达芬奇的永动机,同样是让小球运动来产生不同的力矩,换汤不换药,毫无疑问,还是以失败告终。
不过达芬奇志不在研制出永动机,而是验证永动机是否可行,所以实验结束后,在手稿上留下一句话:
“对于任何运动,总存在反向、等大的反力。”
学过牛顿第三定律的人,会觉得这句话有些熟悉,因为牛顿第三定律是这样说的:
“相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上。”
显然,对于物体之间两股力的平衡,两人看法一致。
牛顿第三定律是对永动机的迎头痛击,但真正将永动机杀死的,是热力学第一定律。
热力学第一定律,不像牛顿第三定律一样用人名来命名,说明这不是一个人的功劳。
来自德国的迈尔医生,就是其中的一位功臣。
1840年,迈尔医生跟着一支船队,一路从德国来到印尼,刚登上这片陌生大陆,很多船员身体出了问题。
当时救人最常用的手段就是放血,迈尔为病人放血后,发现他们的血太过显鲜艳,与正常人带点黑色的血有些不一样。
经过一番研究,迈尔发现是因为血液中的氧含量高了,所以才会这么红。
他因此得出结论,印尼太热,人不再需要更多热量,氧没了用武之地,就被保存在血液里。
想到这里,他又开始思索,人体热量来自哪里,食物,食物的热量又来自哪里……
经过一系列联想,迈尔得出了结论,能量不会无故产生或消失,而是在做转换。
3年后,另一位著名的物理学家焦耳,经过大量计算后,得出来热功当量为428.9千克.米/千卡,得出更进一步研究成果。
两人的观点经过许多物理学家的验证,最终形成了热力学第一定律:
“热可以转变为功,功也可以转变为热;消耗一定的功必产生一定的热,一定的热消失时,也必产生一定的功。”
根据这一定律,德国物理学家亥姆霍兹提出能量具有守恒性,既不能凭空产生,也不会凭空消失。
这一能力守恒定理,成了永动机无法实现的枷锁。
第二第三永动机
在热力学第一定律限制永动机后,人们又提出了新的永动机概念,寻求自然能源的帮助。
就这样,永动机2.0版本上新了。
19世纪70-80年代,一位名为加吉的发明家,经过多年研究设计出新的永动机。
他的设计很简单,将一个有大容量的液氨容器装在轮船上,之后空气的热量会使液氨气化,这些膨胀的氨气会推动活塞做工。
之后,这些氨气会进入到冷却管里,热量被海水吸收,再次变成液态的氨。如此循环往复,就能永远运转下去。
这个设计有个明显的缺陷,氨气需要在-33℃的环境中,才能再度变为液氨,一般的海水显然达不到这样的要求。
如果是放入到-33℃的冰块里,周围的空气又无法达到气化的要求。
其实,早在几十年前,一位叫卡诺的法国科学家提出的卡诺定理,就证明了他的做法无法成功。
在卡诺定理里,理想热机的热效率是:
- η=1-T2/T1 (1)
- η为热机效率,T2表示低温热源,T1表示高温热源(绝对温度)。
按照公式,只有同时具备高温与低温,从而产生温差,热机热效率才能输出。
卡诺死后,名叫克拉贝隆的科学家,看了卡诺定理后,进一步建立了一个理想的气体状态方程:
- PV=nRT (2)
- P表示气体压强,V表示体积,n表示摩尔数,R为摩尔气体常数,T为绝对温度。
这一发方程为热力学分析奠定了基础。
到1850年,一位叫做克劳修斯的科学家研究克拉贝隆的成果,认为卡诺定律想要实现,就必须满足一个条件:
“不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。”
这也就是著名的热力学第二定律,之后克劳修斯进一步提出:
“系统温度越高,分子运动越乱,熵值越高,反之,熵值越低。”
也因此,热力学第二定律被称为熵增定律。
热力学第二定律的出现,彻底将第二代永动机给抹杀。
不过,人们还是没有就此放弃,之后又提出了永动机3.0 版本,这种机器热效率高达100%,根本没有任何热量损失。
但1912年,德国化学家恩斯特指出,无论做怎样的努力,都不能让等温线变成0,也就是说,绝对零度是不可能达到的。
接着有一位叫普朗克的科学家做出补充,熵在绝对零度时,都为0。
最后一位叫瓦尔特·能斯特的科学家进行归纳总结,得出来热力学第三定律:
“绝对零度不可达到,即任何物质的熵在绝对零度时趋于一个定值,对于完整晶体,这个定值为零。”
热力学第三定律的出现,也彻底否定了永动机存在的可能性。
万物在动,为何不能称为永动
1826年,一位名为布朗的植物学家,透过显微镜观察花粉,发现它们在做着无规则的运动,首次揭开了微观世界的运动之谜。
可见,那些我们看起来静止的物体,其实都在做着运动。
这些看起来不动的物体有两种,一种是大到察觉不到它的运动,比如说地球的自转。
另一种是小到忽略了他们的运动,比如分子。
我们虽然看不见分子的运动,但我们周围的气体,液体和固体分子,无时无刻不在运动。
气体的分子因为间隙较大,分子间作用力较小,所以流动性很强,能够上下左右运动。
液体方分子间隙就比空气小很多,分子运动受引力斥力的影响,只能在一个平面运动,不能飞上飞下。
固体分子间隙小于液体分子间的作用力更大,所以只能在固定的位置做无规则运动。
总之,无论是巨大的星球,还是小小的分子,无论是流动的风,还是静止的板砖,都在不停地运动。
“不停”加上“运动”,不就是永动吗?那你和我,以及这世间万物,都是一个永动机?
如果这样想,就是对永动机的误解。
从前面所说的,永动机被提出,接着被热力学第一、第二、第三定律否决,我们得出结论,所谓的永动,并不是指它永远在动,而是永远在做功。
有了这样的观点,容易理解为什么在不停运动的分子,不算永动机了。
因为分子在运动时,也是需要吸收能量的,不能在没有任何外部因素参与的情况下运动。
想让分子停止运动,就需要达到绝对零度,而世界上任何有温度的物体,都高于绝对零度,所以它们能一直运动。
可见,关于永动机不存在的观点,其实一直屹立不倒的,一些认为能挑战权威的人,其实只是误解了其中的含义,并不是从科学上将它打倒。
参考资料:
[1] 《永动机与热力学定律》湃客:返朴 撰文 | 张伟伟2021-04-21
[2] 《科学家告诉我们永动机不存在,但分子为何不停地做无规则运动?》宇宙怪谈2024-02-07
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