有沒有永動機?在熱力學定律提出前,無數的科學家都向通過自己的努力製造出一種永動機。熱力學定律提出後,科學家們知道永動機只是一個夢,都知道在現有的科學框架內我們是無法造出永動機的,當然,除了廣大民科以外。
那科學家們關於永動機的探索有著怎樣的發展歷程呢?
公元1159年,一位叫做巴斯卡拉·勒尼德的數學家畫了一張機器的的設計稿,這是人類有史以來發現的第一個關於永動機的機器。從圖中我們可以看出,十多個封閉的弧形槽內間隔著裝上液體,組成了一個可以轉動的圓盤。隨著圓盤的轉動,液體將逐漸流向每個水槽的底部,這樣就很自然的使圓盤的一邊永遠比另一邊要重,在引力的作用下,就可以永恆的運動了,這就是永動機的最初雛形。
當時的科學家們認為,這種機器可以在不藉助外部能量的情況下永遠運動下去。那這真的可能嗎?
這裡我們暫且相信永動機是真的存在的,於是人們又提出了幾種可能的永動機模型。發揮我們的想像力,你能想到哪些可能的永動機模型。
風車自己產生自己旋轉所需要的風力;一個燈泡發出的光被吸收轉化後形成可以點亮自己的動能;一個水力發電機發出的電能讓自己循環工作。還有更多可以提出的設想,但是我們這裡需要仔細思考,這真的對嗎?
我們不得不承認這些物品真的很有想像力,但是很遺憾,它們全部不管用,以上所有關於永動機的設想都是不對的,都違背了現代物理學中的熱力學定律,有的違背了一條,有的甚至違背了兩條。
熱力學第一定律:能量不會憑空產生,也不會憑空消失,他們只能相互轉化。當我們輸入一定數量的能量後,我們只能得到少於這個數量的能量。這個原理直接排除了第一類永動機,因為任何機器產生的能量都不能多於它自身所消耗的能量。
對此大家可能會不信邪,可是歷史上已經有無數的科學家們提出了無數的想法,可是最後都被熱力學定律無情地擊敗了。
17世紀時,物理學家羅伯特·博伊爾提出了一個關於「自流瓶」的想法,他認為在毛細管效應的作用下,我們可以通過毛細管讓水在這個容器中無限循環。但是這裡羅伯特·博伊爾沒有考慮到這點,如果毛細管的作用力比重力還要大的話,這個力也會阻止水流從細管中流回到容器。
所以,為了讓永動機永遠運動下去,我麼必須要持續的輸入外部能量,而這又與永動機的設計理念相違背了,就算不上永動機了。
所以從這個角度來講,就算工程師真的能夠造出一種不違背熱力學第一定律的的機器,它也會被熱力學第二定律給打敗。
熱力學第二定律很多表達方式,如克勞修斯表述,開爾文表述和熵表述,這些表述方式雖然不一樣,但是本質上是一樣的,而且克勞修斯表述和開爾文表述可以相互推出。我們從開爾文表述可以知道到:不可能製成一種循環動作的熱機,從單一熱源取熱,使之完全變為功而不引起其它變化。這是從能量消耗的角度說的。開爾文表述還可以表述成:第二類永動機不可能實現。
熱力學第二定律適用於目前人類已知的任何場景,就算在真空中也完全使用。
可以這麼說,這兩條熱力學定律已經將所有關於永動機的想法都扼殺掉了,不僅如此,那些用少數能量換取多數能量的美夢也全部破碎了。
當然了,這裡有一點是需要特別說明的:「我們永遠也無法發明出永動機」這一觀點是基於現有的科學邊界提出的,在現有的科學框架內這句話是對的。但是未來誰也說不準,也許1000年後熱力學定律會被證偽,也許那時候的人類就能夠發明出永動機了,但是小編不抱希望。