永动机动力有多强（永动机小科普）

永动机小科普

袁岚峰

有网友转给我一组有趣的图片（weibo/fav?tagid=3833396009643399）：“一组科学家们发明的伪永动机，不明觉厉！”大家去搜一下，还能找到很多类似的“永动机”设计。我对此做了一些解释，但发现许多人把各种概念搅和到一起去了，造成了不少误解。那么，我就在这里以问答的形式小小地科普一下永动机问题，为普通人解惑，也请内行指正。

问：图片里的那些装置能不能永远运动下去？

答：不能，因为在那些宏观条件下必不可免地有摩擦，有序运动的机械能会逐渐转化成分子无序运动的热能，最终会停下来。当然，你可以采用种种手段尽量降低摩擦，使这些装置保持很长时间的运动。在摩擦为零的理想状态下，它们确实可以永远运动下去。

问：那么在摩擦为零的理想状态下，那些装置就是永动机喽？

答：不是的。这里有一个常见的望文生义的错误。其实永动机指的不只是永远运动的机器，而且还需要对外输出能量，例如带动其它的机器去提起重物、驱动车辆等等。用物理学术语来说，就是要能够对外做功。这样才有实用价值，历史上才会引起那么多人的兴趣。如果仅仅是永远运动，那么在无摩擦的情况下把一个物体推一下，让它获得一个初速度，它就会无限地匀速直线运动下去（牛顿第一定律），哪还值得研究？或者稍微复杂一点，在一个无摩擦的环形导轨上放一个球，给它一个初速度，球也会无限地沿着导轨转圈。图片里的那些装置，本质上和这两个简单的例子是一样的。如果你想从那些装置中获得能量，那么它们的运动幅度就会越来越小，等到把初始的机械能消耗完了，就会停下来。

答：应该是毛细作用，由液体的表面张力引起。在这里不详细解释，基本意思就是液体的表面积越小越有利，所以当把一个细管子（毛细管）伸到一个装有液体的大口容器中时，液体会克服重力沿着细管子往上爬一段。这个装置很有趣，不过仍然是有摩擦的，因为液体有粘滞性。只要你足够有耐心，你就会看到它的运动幅度越来越小，最终会停止下来，把机械能转化成热能。

问：地球的公转、自转会不会越来越慢？

答：会的，因为许多因素会对地球的运动造成摩擦，例如潮汐。由此导致自转变慢，一天的长度在一个世纪内大约增长1至2毫秒。公转时间的变化可能要小得多，但肯定也是存在的。

问：原子中的电子会不会运动越来越慢？

答：不会。绝大多数宏观体系有摩擦，但在原子这种微观体系中没有摩擦。用力学的语言说，微观体系中只存在保守力，不存在耗散力。当然，懂得量子力学的朋友会笑了，因为专业人士研究微观体系的时候极少用力这个概念，一般都直接用能量。不过无论如何，基本的意思就是这样，原子中的电子会永远运动下去。当然如前所述，它不对外做功，所以不是永动机。

问：有没有摩擦为零的宏观装置？

答：有的，例如超流。液氦-4（原子量为4的氦同位素，即原子核中包含2个质子和2个中子）在普通的状态下是正常的流体，有粘滞性。但当温度降到绝对温标2.17 K（即零下270.98摄氏度）以下时，液氦-4的粘滞性就消失了，我们称它进入了超流态。也就是说，在像上面那个问题的装置中，超流的液体确实能无限运动下去！超流是一种“宏观量子效应”，要理解这个词是什么意思，需要学习量子力学。我的文章《科普量子瞬间传输技术，包你懂！》（zhuanlan.zhihu/p/20707076）对量子力学有一些科普，不妨参考。这里只需要强调一下，利用超流实现永恒运动固然很炫，但绝不是永动机，原因见上。

问：听说永动机分为两种？

答：是的。第一类永动机是不从外界输入能量，却能输出能量。第二类永动机是通过从外界输入能量来输出能量，不过这个外界只是一个热源，例如大海或空气。好比说，让海水的温度降低1摄氏度，把由此放出的热量完全转化成机械能。这里的关键是“一个”热源，因为在两个一冷一热的热源之间工作的机器太多了，内燃机就是。假如只用一个热源的这种好事能实现的话，实际效果跟第一类永动机也差不了多少，因为宇宙中有很多这种超级巨大的热源。历史上无数人尝试过制造这两类永动机，但都失败了。所以现在科学界公认，无论是第一类还是第二类永动机都造不出来。

问：听说“永动机不可能制成”成了物理规律？

答：是的。准确地说，是两条物理规律。“第一类永动机不可能制成”，就是能量守恒定律，也称为热力学第一定律。“第二类永动机不可能制成”，就是热力学第二定律，也称为熵增原理。这条原理有多种表述方式，其中一种是：不可能从单一热源吸取热量并把它转化成机械能，而不造成其它变化。这种表述方式是开尔文勋爵（Lord Kelvin, 1824 - 1907）提出的。还有一种更加简洁的表述方式是：热能不可能完全变化成机械能。注意，反过来不成立，机械能是可以完全转化成热能的。例如你搅拌一杯水，最终你输入的机械能就会完全变成水的热能，让水变热。这说明机械能和热能是本质上有所不同的两种能量形式，可以认为机械能是一种高品质的能量，热能是一种低品质的能量。高品质的能够完全变成低品质的，低品质的却不能完全变成高品质的，——学坏很容易，学好很难；好人不长命，祸害活千年。热力学第二定律可以理解为：宇宙的能量守恒，但品质越来越低。

开尔文勋爵

问：既然热能不能完全转化成机械能，那么这种转化的比例最高能到多少呢？

答：热机，也就是把热能部分转化成机械能的机器，需要两个温度不同的热源。如果低温热源的温度是T1（这里用的都是绝对温标，或称为热力学温标，单位是K，即开尔文），高温热源的温度是T2，那么热机的效率（即热能转化成机械能的比例）不可能超过1 - T1/T2。在没有摩擦的理想状况下，效率就是这个上限值。这个结论虽然看起来很不显而易见，但仍然是热力学第二定律的一种表述方式。也就是说，可以从前面提到的其它表述方式把它推导出来，它也可以推导出其它表述方式。各种表述方式之间是等价的。科学家的思维能够走这么远，通过仅仅一句话“第二类永动机不可能制成”得到这么多深奥的结论，真是令人赞叹不已。

问：既然热机的效率上限是1 - T1/T2，那么T1 = 0 K时效率不就能够达到100%了？

答：很敏锐的观察！不错，低温热源越冷，或者高温热源越热，T1/T2就越小，效率就可以越高。如果低温热源能够达到绝对零度，那么效率就可以达到100%。但是！这里又有一条科学规律等着否定这种构想了（不知有没有人把它称为“第三类永动机”），这就是热力学第三定律：绝对零度不可能达到。所以，实际的热机效率必然小于1。宇宙似乎总是在跟人类开玩笑，阻止人们一个又一个的美好梦想，——这就是人生的真谛吗？

问：听说许多国家的政府拒绝接收永动机的设计？

答：是的，最早这么做的是法国，1775年。在《法国科学院的历史》一书中有如下记载：“这一年科学院通过决议，决定拒绝审理有关下列问题的解答：倍立方，三等分角，求与圆等面积的正方形，以及表现永恒运动的任何机器。”（你知道为什么要拒绝倍立方、三等分角、化圆为方吗？这些是数学史上的经典问题。）并且解释说：“永动机的建造是绝对不可能的，即使中间的摩擦和阻力不致最终破坏原来的动力，这个动力也不能产生等于原因的效果；再如设想动力可以连续起作用，其效果在一定时间之内也会是无限小。如果摩擦和阻力减小，初始的运动往往得以继续，但它不能与其他物体作用，在这种假设（自然界不可能存在）中，惟一可能的永恒运动对实现永动机建造者的目的将毫无用处。这些研究的缺点是费用极度昂贵，不止毁了一个家庭，本来可以为公众提供大量服务的技师们，往往为此浪费了他们的工具、时间和聪明才智。”200多年前科学家已经知道制造永动机注定失败了，如果你现在还有这个想法，请赶快放弃吧！不要毁了你的人生、你的家庭！

问：中国研究永动机最著名的人是谁？

答：可能是黄维（1904-1989），淮海战役中被俘的国军第十二兵团司令，电影《大决战》中被其他国民党将领讽刺为书呆子的那位。黄维进了功德林以后，迷上了制造永动机。他自己说是为了解决人类的能源危机，别人自然也可以怀疑他是为了逃避改造。无论如何，他对研究确实很投入，为此甚至耽误了特赦。当然，他的设想全都失败了。黄维的一生十分有趣，又是办军校，又是搞永动机。如果在和平时期，说不定会成为杰出的学者，也未可知！

问：地球运动的第一推动是什么？

答：这得问天文学家。地球大概是由星际尘埃凝结而成的，形成之后就保持了最初的动量和角动量。太阳系的八大行星（杯具的冥王星被踢出去了）都在同一个平面上公转，都具有相同的方向，这是对上述猜想的强有力的证据。

问：宇宙的第一推动是什么？

答：大哉斯问！牛顿当年把它归结为上帝，现代的科学家对此自然大都是呵呵的啦。推荐大家读霍金的《大设计》。他认为，由于引力势能是负的，所以整个宇宙的总能量为零。天文学的标准理论是，宇宙源自一场大爆炸，时间和空间都是大爆炸创造出来的。那么，大爆炸就是总能量为零前提下的涨落，物质的正能量（社会主义核心价值观笑了……）和引力的负能量（……）始终保持抵消。有句常用语是“没有免费的午餐”，其实宇宙就是最大的免费午餐！换句话说，没有任何东西能够无中生有，除了整个宇宙以外。如果你看不懂我在说什么……请去读霍金的书吧！

霍金《大设计》

2015年4月写作原文（weibo/p/1001603833463785536407），2016年4月修订发布于知乎专栏“风云之声”（zhuanlan.zhihu/fengyun）。

作者简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员，中国科学技术大学科技与战略风云学会会长，微博@中科大胡不归 ，知乎@袁岚峰 （zhihu/people/yuan-lan-feng-8）。

欢迎关注中国科学技术大学科技与战略风云学会的头条号“风云之声”（toutiao/m6256575842/）。