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。

永动机动力有多强(永动机小科普)(1)

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。

永动机动力有多强(永动机小科普)(2)

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!

永动机动力有多强(永动机小科普)(3)

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/)。

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