熱力學(xué)第一定律發(fā)布后，確實(shí)打消了大多數(shù)人對(duì)永動(dòng)機(jī)的奢望。 不過(guò)，有科學(xué)家指出，雖然能量守恒，但宇宙畢竟浩瀚，地球畢竟浩瀚，給我們留下了很大的能量空間。 。 如果能夠設(shè)計(jì)出一種裝置，從海洋、大氣甚至宇宙中吸收熱能，并將這種熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械，那豈不是違反了能量守恒定律，獲得了無(wú)窮無(wú)盡的能量？
這種機(jī)器稱為第二類永動(dòng)機(jī)，而此前所有違反熱力學(xué)第一定律的機(jī)器都稱為第一類永動(dòng)機(jī)。
例如，有人認(rèn)為，既然海洋如此廣闊，我們可以利用海洋的熱能，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，讓熱海水進(jìn)入機(jī)器，排出冷水。 難道它里面的熱能不能用來(lái)為我們做功嗎？ 如下所示：
這個(gè)想法很完美！
我們周圍有大量的空氣，不是也蘊(yùn)含著巨大的能量嗎？ 按照這個(gè)原理，如果空調(diào)反向開啟，豈不是源源不斷的供應(yīng)能量？
你可能會(huì)說(shuō)：“沒必要學(xué)什么定律、什么理論第二類永動(dòng)機(jī)，以我多年的生活經(jīng)驗(yàn)，我知道，不插電源是不可能讓空調(diào)自行開啟的！”
是的，我們都已經(jīng)習(xí)慣了。 熱量從熱的地方傳遞到冷的地方，從而使物質(zhì)的溫度更加均勻。 要逆轉(zhuǎn)熱量的流動(dòng)，就必須依靠空調(diào)和冰箱。 但誰(shuí)見過(guò)空調(diào)、冰箱不插電就能工作呢？
在制作空調(diào)之前，
首先你需要了解熱力學(xué)第二定律
確實(shí)，空調(diào)的原理來(lái)自于卡諾對(duì)熱機(jī)的研究。 卡諾的初衷不是建造空調(diào)和冰箱，而是為了提高熱機(jī)的效率，即如何從高溫?zé)嵩粗刑崛崃坎⒃谕獠孔龉Α?span style="display:none">1nK物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
卡諾用盡智慧后發(fā)現(xiàn)，為了在高溫TH下提取熱量QH做功W，還必須將一部分熱量QC轉(zhuǎn)移到低溫TC。 我們只能得到輸出功W=QH-QC，而不能得到全部QH。 又由于QH和QC分別與TH和TC成正比，所以熱機(jī)效率k=W/QH=TH-TC/TH，肯定小于1。
結(jié)果，卡諾終于被宇宙的終極奧秘所感動(dòng)，總結(jié)出卡諾原理：準(zhǔn)靜態(tài)卡諾循環(huán)和可逆卡諾循環(huán)的效率只取決于兩個(gè)熱源的溫度，而無(wú)論怎樣工作實(shí)質(zhì)是，它們的效率是一樣的。 以這種方式運(yùn)行的卡諾熱機(jī)是利用這兩個(gè)溫度的最有效的熱機(jī)。
如果您看不懂以上內(nèi)容也沒關(guān)系。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們不能利用所有的熱量來(lái)將熱機(jī)的效率提高到100%。 反之，要將熱量從冷的地方輸送到熱的地方，就必須“付出”，即消耗額外的能量。 如下圖所示，這就是空調(diào)、冰箱的原理，即把熱量從低溫區(qū)域（室內(nèi)）轉(zhuǎn)移到室外的“逆熱機(jī)”。 為了將熱量QH轉(zhuǎn)移到高溫區(qū)域，必須輸入電源W（插入）。 （戶外的）。
卡諾原理可視為熱力學(xué)第二定律的原型。 要知道卡諾在1824年就提出了卡諾原理，這比熱力學(xué)第一定律早了很多年。 遺憾的是卡諾英年早逝。 直到1850年，克勞修斯才在卡諾的基礎(chǔ)上提出了相對(duì)完整的熱第二定律的表達(dá)式：
如果沒有與之相關(guān)的其他變化，熱量就無(wú)法從較冷的物體傳遞到較熱的物體。
隨后，開爾文也做出了表態(tài)：不可能創(chuàng)造出一種循環(huán)熱機(jī)，從單一熱源獲取熱量，并將其完全轉(zhuǎn)化為功，而不引起其他變化。
這種說(shuō)法相當(dāng)于：第二種永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。
能量的“運(yùn)輸”總是充滿“坎坷”
原來(lái)，我們生活在一個(gè)充滿“摩擦”和“坎坷”的世界。 每當(dāng)你想將能量從這里轉(zhuǎn)移到那里時(shí)，就必須消耗一些能量。 例如，當(dāng)我們駕駛汽車時(shí)，一部分汽油需要通過(guò)地面與車輪的摩擦來(lái)消耗。
而當(dāng)我們打開發(fā)動(dòng)機(jī)，仔細(xì)研究里面的機(jī)械時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，雖然有很多油潤(rùn)滑，但還是有很多地方有凹凸和摩擦。 當(dāng)它開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)不僅加熱了燃?xì)?，還加熱了氣缸。 當(dāng)廢氣排出時(shí)，工程師真想對(duì)著廢氣大喊：“站??！留下路錢！” 讓這些高溫氣體保留熱量，自動(dòng)冷卻下來(lái)，雖然這只是一個(gè)飄渺的幻想。
因此，汽油機(jī)的機(jī)械效率只有25-50%，這意味著我們一半以上的油錢都被浪費(fèi)了。
事實(shí)上，影響機(jī)械效率的因素不止兩個(gè)，比如氣體的不完全燃燒。 當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)中的氣體并不是理想氣體。 分子之間存在微小的范德華力。 這些微小的吸附力使氣體難以充分混合。 有時(shí)，氣體需要“排隊(duì)”才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此它們無(wú)法完全燃燒。 因此，我們的汽車尾氣中總會(huì)含有一氧化碳、一氧化氮等有毒物質(zhì)，因此我們的發(fā)動(dòng)機(jī)總會(huì)出現(xiàn)積碳的情況。
說(shuō)起化學(xué)反應(yīng)，有人會(huì)說(shuō)：“大機(jī)械太笨重了，我喜歡化學(xué)的柔美。構(gòu)建一個(gè)化學(xué)可逆反應(yīng)，比如氫燃料電池，先把水電解成氫氣和氧氣，然后讓電池中有氫氣?！?燃燒”，氫燃料電池貢獻(xiàn)的能量不正好等于電解水的能耗嗎？”
理論上看起來(lái)很美好，但是這位同學(xué)忘記了“活化能”的概念。 當(dāng)氫氣和氧氣混合在一起時(shí)，它們?cè)诔叵虏粫?huì)燃燒。 明火、火花等必須為其提供活化能才能發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。
更何況，各種電池都無(wú)法避免熱量損失，而氫燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率最多只能達(dá)到80%。
說(shuō)到電力，這似乎是傳輸能量的最佳方式。 但傳輸電力的介質(zhì)也會(huì)有阻力，這就是電流遇到的“摩擦”。
當(dāng)然，現(xiàn)在人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了“超導(dǎo)體”，但那是另一回事了。
這時(shí)，另一位朋友有話說(shuō)：“我可以找到一個(gè)沒有‘摩擦’的地方，那就是空間?！?span style="display:none">1nK物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
是的，太空比任何人造真空都“更空”。 這也是驗(yàn)證“牛頓第一定律”的最佳地方：如果沒有摩擦力，物體將保持原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)。 然而我們知道，有溫度的物體會(huì)自發(fā)產(chǎn)生熱輻射。 如果宇航員不小心墜入太空，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，他的肉身就會(huì)被徹底輻射，化為虛無(wú)粒子。
這就是熱力學(xué)第二定律告訴我們的：熱這個(gè)可惡的東西總是想變得更加均勻。
當(dāng)熱的物體與冷的物體接觸時(shí)，它們會(huì)變成中間溫度，這就是熱傳遞； 當(dāng)熱流體和冷流體放在一起時(shí)，它們會(huì)相互流動(dòng)，這就是熱對(duì)流； 即使兩種流體連接在一起，相距數(shù)光年的不同溫度的物體仍然會(huì)跨越時(shí)空，希望通過(guò)熱輻射達(dá)到熱平衡。
1865年，克勞修斯進(jìn)一步提出“熵”的概念，可以理解為系統(tǒng)的無(wú)序程度。 根據(jù)熱力學(xué)第二定律第二類永動(dòng)機(jī)，封閉系統(tǒng)的熵總是增加，直到達(dá)到熱平衡狀態(tài)。 此時(shí)系統(tǒng)的熵達(dá)到最高，完全失去做功的能力。
我們可以把宇宙想象成一個(gè)封閉的系統(tǒng)，因此我們可以推斷宇宙最終會(huì)達(dá)到熱力學(xué)平衡，這就是所謂的“熱寂”。 此時(shí)的宇宙是最無(wú)序的，所有的生命都不復(fù)存在。 這是宇宙的最終結(jié)局。
試圖挑戰(zhàn)熱力學(xué)第二定律？
歷史告訴你：不可能！
熱力學(xué)第一、第二定律的出現(xiàn)，似乎宣告了各種永動(dòng)機(jī)的死刑，但麥克斯韋大神有話要說(shuō)：熱力學(xué)第二定律真的成立嗎？
于是他構(gòu)建了這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：
一個(gè)小妖精控制著兩個(gè)毒氣室之間的一扇小門。 我們知道，氣體分子的速度遵循玻爾茲曼分布，有的快，有的慢。 這個(gè)小妖精允許快的氣體分子進(jìn)入左側(cè)，慢的分子進(jìn)入右側(cè)。 這樣一來(lái)，系統(tǒng)的熵不就減少了嗎？ 兩側(cè)不是有溫差嗎？ 難道不能利用這個(gè)溫差來(lái)做功嗎？
這種小妖精因此被稱為“麥克斯韋妖精”，位列物理學(xué)四神獸之列。
其實(shí)你想一想，你就知道麥大師錯(cuò)在哪里了。 這個(gè)小妖精不是“活雷鋒”。 如此勤奮的運(yùn)轉(zhuǎn)，也需要消耗大量的能量。 例如，它需要觀察每個(gè)分子的速度并不斷地打開和關(guān)閉門。 如果是碳基生命，可能還需要吃飯、排便，那么這個(gè)能量從哪里來(lái)呢？
所以，對(duì)于麥逍遙來(lái)說(shuō)，你不能僅僅把左右氣室當(dāng)作一個(gè)孤立的系統(tǒng)，而是要把麥逍遙和氣室放在一個(gè)大系統(tǒng)中。 這時(shí)，你會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)仍然遵守?zé)崃W(xué)第二定律。 。
與麥克斯韋妖類似，大約一個(gè)世紀(jì)后，聰明的費(fèi)曼設(shè)計(jì)了一個(gè)“費(fèi)曼棘輪”，如下圖，可以在《費(fèi)曼物理講座》第一卷第46章中找到。
右邊的盒子里有一個(gè)帶有葉片的旋轉(zhuǎn)軸。 當(dāng)氣體分子撞擊葉片時(shí)，葉片就會(huì)旋轉(zhuǎn)。 該旋轉(zhuǎn)軸連接到左側(cè)箱體上的棘輪。 輪上裝有棘爪，使棘輪只能向一側(cè)旋轉(zhuǎn)。 這樣，即使兩側(cè)溫度相同（T1=T2），這個(gè)裝置仍然可以在外面進(jìn)行工作。 換句話說(shuō)，費(fèi)曼的裝置實(shí)際上是利用氣體碰撞的波動(dòng)來(lái)進(jìn)行工作的。 很多人錯(cuò)誤地認(rèn)為這里的能量來(lái)自布朗運(yùn)動(dòng)，所以這也被稱為“布朗棘輪”。
我剛才不是說(shuō)熱爾是宇宙的終極法則嗎？ “費(fèi)曼棘輪”真的反駁了熱力學(xué)第二定律嗎？
顯然不可能，那么“費(fèi)曼棘輪”有什么問(wèn)題呢？
費(fèi)曼本人在《費(fèi)曼物理講座》中給出了答案：左邊盒子的棘輪和右邊盒子的刀片都處于溫度T，因此它們也有布朗運(yùn)動(dòng)（熱波動(dòng)）。 由于這種波動(dòng)，棘爪會(huì)時(shí)不時(shí)地抬起，從而無(wú)法控制棘輪的轉(zhuǎn)向。 棘輪前后轉(zhuǎn)動(dòng)，自然無(wú)法進(jìn)行有效的工作。
雖然麥克斯韋對(duì)小怪物犯了一個(gè)錯(cuò)誤，但《麥克斯韋的小怪物》卻是最偉大的思想實(shí)驗(yàn)之一。 科學(xué)界對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了深刻反思，人類對(duì)世界的認(rèn)識(shí)又向前邁進(jìn)了一大步。
例如，香農(nóng)借鑒熱力學(xué)的概念，將消除冗余后的平均信息量稱為“信息熵”，并給出了計(jì)算信息熵的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 香農(nóng)因此被譽(yù)為“信息論之父”。
俄羅斯裔比利時(shí)物理學(xué)家普里高津提出了“最小熵產(chǎn)生定理”，并在此基礎(chǔ)上提出了“耗散結(jié)構(gòu)”理論。 事實(shí)證明，熱力學(xué)并沒有簡(jiǎn)單粗暴地禁止有序結(jié)構(gòu)的自發(fā)生成。 當(dāng)系統(tǒng)與外界發(fā)生物質(zhì)和能量的交換時(shí)，伴隨著系統(tǒng)熵的產(chǎn)生（耗散），就可以產(chǎn)生更加有序的結(jié)構(gòu)。 這種有序結(jié)構(gòu)就是“自組織”。 這種“耗散結(jié)構(gòu)”理論后來(lái)甚至被用來(lái)解釋生命和社會(huì)現(xiàn)象。
普里高津還獲得了1977年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
總之，熱力學(xué)第二定律自誕生以來(lái)，就被各種實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)象證明是宇宙最普遍的物理定律。 愛丁頓曾對(duì)此給予高度評(píng)價(jià)：“熱力學(xué)第二定律是一切自然的最高定律……如果你發(fā)現(xiàn)你的理論違反了熱力學(xué)第二定律，我敢說(shuō)你沒有希望，你的理論也只會(huì)丟臉了，垮臺(tái)了！”