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很多人都說, 永動機是不可能存在的, 它不符合物理定律。
可為什麽我們看到的世界, 大到宇宙天體,小到物體分子,都在不停地運動著呢?
第一代永動機
永動機並不是某種機器的專有名,而是一種產生在人們腦袋裏的想法。
這種想法 最先在印度人腦子裏出現 ,到公元1200年,一群伊斯蘭教跋山涉水,將這種想法傳到了歐洲。
當時歐洲的法國,有位叫亨內考的人,覺得這種想法很新奇,於是試著研究出一款真正的永動機。
根據他留下的圖紙來看,這款永動機十分的簡單,一個可以捲動的輪子,上面均勻連線著可以擺動的小棍,棍上分別裝上重物。
結構簡單,原理也很簡單,靠著齒輪對連線桿的支撐,使輪兩邊的球離圓心不等,左邊離得近,右邊離得遠。
離圓心近這邊,力矩就要小些,離得遠這邊,力矩就要大些。 小大交替,輪子就能不停地轉動。
想法很精妙,但他忽略了一個問題,由於連線桿的擺動,導致 兩邊小球無法均勻的分布 ,盡管力矩大小有差距,但是小球的密度彌補了這一差距。
比如左側小球力矩小,但密集的小球可能帶來更多的重量,右側同理,因為小球稀疏,重量變小。
小球的重量差異,均衡了力矩的大小差異,這樣一直運動, 總能在某一時刻達到平衡,從而停止轉動。
亨內考的永動機顯然是失敗了。
到文藝復興時期,藝術家達芬奇也設計了一款永動機,原理跟亨內考的類似,同樣都是一個轉動的輪子,上面放小球。
只是這些小球不是用小棍連線,而是 直接在輪子上做出可以捲動的軌域 。
達芬奇的永動機,同樣是讓小球運動來產生不同的力矩,換湯不換藥,毫無疑問,還是以失敗告終。
不過達芬奇誌不在研制出永動機,而是驗證永動機是否可行,所以實驗結束後,在手稿上留下一句話:
「對於任何運動,總存在反向、等大的反力。」
學過牛頓第三定律的人,會覺得這句話有些熟悉,因為牛頓第三定律是這樣說的:
「交互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等,方向相反,作用在同一條直線上。」
顯然,對於物體之間兩股力的平衡,兩人看法一致。
牛頓第三定律是對永動機的迎頭痛擊,但真正將永動機殺死的,是 熱力學第一定律 。
熱力學第一定律,不像牛頓第三定律一樣用人名來命名,說明這不是一個人的功勞。
來自德國的邁爾醫生,就是其中的一位功臣。
1840年,邁爾醫生跟著一支船隊,一路從德國來到印尼,剛登上這片陌生大陸,很多船員身體出了問題。
當時救人最常用的手段就是放血 ,邁爾為病人放血後,發現他們的血太過顯鮮艷,與正常人帶點黑色的血有些不一樣。
經過一番研究,邁爾發現是因為血液中的氧含量高了,所以才會這麽紅。
他因此得出結論, 印尼太熱,人不再需要更多熱量,氧沒了用武之地,就被保存在血液裏。
想到這裏,他又開始思索,人體熱量來自哪裏,食物,食物的熱量又來自哪裏……
經過一系列聯想,邁爾得出了結論, 能量不會無故產生或消失,而是在做轉換。
3年後,另一位著名的物理學家焦耳,經過大量計算後,得出來熱功當量為428.9千克.米/千卡,得出更進一步研究成果。
兩人的觀點經過許多物理學家的驗證,最終形成了熱力學第一定律:
「熱可以轉變為功,功也可以轉變為熱;消耗一定的功必產生一定的熱,一定的熱消失時,也必產生一定的功。」
根據這一定律,德國物理學家亥姆霍茲提出能量具有守恒性,既不能憑空產生,也不會憑空消失。
這一能力守恒定理,成了永動機無法實作的枷鎖。
第二第三永動機
在熱力學第一定律限制永動機後,人們又提出了新的永動機概念,尋求自然能源的幫助。
就這樣,永動機2.0版本上新了。
19世紀70-80年代,一位名為加吉的發明家,經過多年研究設計出新的永動機。
他的設計很簡單,將一個有大容量的液氨容器裝在輪船上,之後空氣的熱量會使 液氨氣化 ,這些膨脹的氨氣會 推動活塞做工 。
之後,這些氨氣會進入到 冷卻管 裏,熱量被海水吸收, 再次變成液態的氨 。如此迴圈往復,就能永遠運轉下去。
這個設計有個明顯的缺陷, 氨氣需要在-33℃的環境中,才能再度變為液氨 ,一般的海水顯然達不到這樣的要求。
如果是放入到-33℃的冰塊裏,周圍的空氣又無法達到氣化的要求。
其實,早在幾十年前,一位叫卡農的法國科學家提出的卡農定理,就證明了他的做法無法成功。
在卡農定理裏,理想熱機的熱效率是:
η=1-T2/T1 (1)
η為熱機效率,T2表示低溫熱源,T1表示高溫熱源(絕對溫度)。
按照公式,只有同時具備高溫與低溫,從而產生溫差,熱機熱效率才能輸出。
卡農死後,名叫克拉貝隆的科學家,看了卡農定理後,進一步建立了一個理想的瓦斯狀態方程式:
PV=nRT (2)
P表示瓦斯壓力,V表示體積,n表示莫耳數,R為莫耳瓦斯常數,T為絕對溫度。
這一發方程式為熱力學分析奠定了基礎。
到1850年,一位叫做克勞修斯的科學家研究克拉貝隆的成果,認為卡農定律想要實作,就必須滿足一個條件:
「不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。」
這也就是著名的熱力學第二定律,之後克勞修斯進一步提出:
「系統溫度越高,分子運動越亂,熵值越高,反之,熵值越低。」
也因此,熱力學第二定律被稱為 熵增定律。
熱力學第二定律的出現,徹底將第二代永動機給抹殺。
不過,人們還是沒有就此放棄,之後又提出了永動機3.0 版本,這種機器熱效率高達100%,根本沒有任何熱量損失。
但1912年,德國化學家恩斯特指出,無論做怎樣的努力,都不能讓等溫線變成0,也就是說, 絕對零度是不可能達到的。
接著有一位叫普朗克的科學家做出補充,熵在絕對零度時,都為0。
最後一位叫華瑟·能斯特的科學家進行歸納總結,得出來 熱力學第三定律 :
「絕對零度不可達到,即任何物質的熵在絕對零度時趨於一個定值,對於完整晶體,這個定值為零。」
熱力學第三定律的出現,也徹底否定了永動機存在的可能性。
萬物在動,為何不能稱為永動
1826年,一位名為布朗的植物學家,透過顯微鏡觀察花粉,發現它們在做著 無規則的運動, 首次揭開了微觀世界的運動之謎。
可見,那些 我們看起來靜止的物體,其實都在做著運動。
這些看起來不動的物體有兩種,一種是大到察覺不到它的運動,比如說地球的自轉。
另一種是小到忽略了他們的運動,比如分子。
我們雖然看不見分子的運動,但我們周圍的瓦斯,液體和固體分子,無時無刻不在運動。
瓦斯的分子因為間隙較大,分子間作用力較小,所以流動性很強,能夠上下左右運動。
液體方分子間隙就比空氣小很多,分子運動受重力斥力的影響,只能在一個平面運動,不能飛上飛下。
固體分子間隙小於液體分子間的作用力更大,所以只能在固定的位置做無規則運動。
總之,無論是巨大的星球,還是小小的分子,無論是流動的風,還是靜止的板磚,都在不停地運動。
「不停」加上「運動」,不就是永動嗎? 那你和我,以及這世間萬物,都是一個永動機?
如果這樣想,就是對永動機的誤解。
從前面所說的,永動機被提出,接著被熱力學第一、第二、第三定律否決,我們得出結論,所謂的永動,並不是指它永遠在動,而是 永遠在做功 。
有了這樣的觀點,容易理解為什麽在不停運動的分子,不算永動機了。
因為 分子在運動時,也是需要吸收能量的 ,不能在沒有任何外部因素參與的情況下運動。
想讓分子停止運動,就需要達到絕對零度,而世界上任何有溫度的物體,都高於絕對零度,所以它們能一直運動。
可見,關於永動機不存在的觀點,其實一直屹立不倒的,一些認為能挑戰權威的人,其實只是誤解了其中的含義,並不是從科學上將它打倒。
參考資料:
[1] 【永動機與熱力學定律】湃客:返樸 撰文 | 張偉偉2021-04-21
[2] 【科學家告訴我們永動機不存在,但分子為何不停地做無規則運動?】宇宙怪談2024-02-07