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壇上有說永動機,不如湊湊興吧

(2021-11-26 22:44:35) 下一個

永動機是一個人類揮之不去的夢境。這個夢境有無可能成真?

永動的係統理論上是可以存在的,一個真空玻璃罩裏的鍾擺,假如軸心毫無摩擦,就可以永遠擺下去,一端的勢能變成底部的動能,再變成另一端的勢能,周而複始。一個平麵上的圓盤,一粒彈子沿著盤壁滾動,如果彈子和和盤間沒有絲毫摩擦,也可以永遠一圈圈地滾下去。雖然現實裏做到毫無摩擦很難,但理論上並不違反任何物理定律。超導狀態下的電流也可如此,在電路裏一直循環下去。

但這樣的永動即使實現也毫無意義,因為不能做功,做功就是幹事情,比如推動機器,點亮燈泡,一個前述的永動係統一旦耦合上做功的機製,馬上就不再永動,因為其能量逐漸轉換為對外界的做功(機械能)。要想既保持係統能量不變,又對外界做功,便違反了能量守恒定律和廣義的熱力學第一定律,做功的能量從何而來?18世紀初人們已經明白了這個道理,這種違背能量守恒的所謂第一類永動機完全是荒謬的。有意思的是,直到今天,依然有不少人樂此不彼花樣百出地試圖讓人相信這類永動機是可行的,油管上絕大多數的永動機發明都是屬於這第一類,一歎。

人們知道了能量守恒無法違反,於是就開動腦筋製造一種能循環往複做工的係統,自然需要能源的,最廉價的能源就是我們的環境,比如周圍的空氣,任何事物隻要不處於絕對零度(攝氏零下273.15°),其分子都處於運動狀態,從係統上講就是熱能,這種熱能不用白不用,但要把環境中的熱能(即無序的分子運動)轉換為功,也就是機械能,卻不是件容易事,這需要靠一種工質來實現,最早想到的是氨,氨的沸點是零下33攝氏度,隻要不是寒帶的冬季,氨在氣溫裏就會吸收大氣的熱能沸騰而體積膨脹,因而可以推動活塞做功 -即將熱能轉成機械能,這符合能量守恒,是完全可以實現的。

然而這是一錘子買賣,把活塞推了一下就停止了,還是沒有什麽大用處。要讓它真真有用必須能循環往複。有人馬上就意識到,當然可以啊,氨氣膨脹之下釋放熱能而冷卻凝縮,設法讓這冷卻凝縮的氨再自動回到大氣中,不又可以再一次吸熱膨脹再一次作功嗎?這樣周而複始,不斷從廉價的大氣中汲取能量做功,一勞永逸,第二類永動機就誕生了,又清潔又便宜又取之不盡,還用搞什麽危險的原子能和不穩定的可再生能源。

當然,至今都沒人做出這樣一架永動的機器。為什麽,因為它雖然表麵不違背能量守恒或廣義上說熱力學第一定律,卻相悖於熱力學第二定律。熱力學第二定律可不是善類,它是經典物理學中的唯一野小子,它之外的所有定律都與時間無關,都是可逆的,隻有它定義了時間的流向,不可逆。它的野性還在於它有N多種不同表達 - 最膾炙人口的就是大名鼎鼎的熵增原理。其中一個給第二類永動機量體裁衣的表達是:任何將熱能轉換為機械能的過程,都必須要有兩個熱庫,一個高溫為源,另一個低溫為阱。因而決定了將熱能轉換為機械能的效率,永遠不可能100%, 因為一部分熱能必須進入熱阱而耗散,並且,熱能隻能從高溫熱源流向低溫熱阱,而不能反其道行之。

這便是說,上麵那個將氨當工質的機器,作功後並不能靠自己而完全回到起始的冷凝狀態,要完全回複到起始態,必要要靠外界輸入能量來加以冷凝。現實裏,這個外部輸入的幫助冷凝的能量往往要高於係統從大氣熱能裏轉換出來的機械能。

可見第二類永動機和第一類完全不可同日而語,既然第一類還有人在搗鼓,這第二類就更不會被人輕易放棄了,隻是,第二類更多地局限在專業圈子裏,油管上就少見了。

專業人士搞第二類永動機不是因為他們無知,而是他們的專業知識告訴他們第二類永動機的門理論上並沒有全然關死,皆因熱力學第二定律是個統計意義上的原理,這是它的第三野性。所謂統計,就是大概率上說是這麽一回事。但這並不根絕小概率上的可能。統計熱力學就是對單個分子們的無序熱運動做係綜分析來得出宏觀層麵的原理,偉大的科學家麥克斯韋就曾半當真半詼諧地設想,係統裏有這麽一個妖精(後被人稱為麥克斯韋妖)能觀察每一個分子的運動,因而能有選擇地放行或阻攔它們進入某特定區域,從而在宏觀上改寫時間軸上的事件。人生苦短,小妖難遇,二歎。

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附對虹吸管虹吸條件的靜力學推導

壇上有人大力鼓吹基於虹吸原理的永動機,這是根本違反能量守恒的第一類永動機。古紙兄用伯努利公式反駁,但這裏可以大大簡化,假設虹吸管粗細完全均勻且流體不可壓縮,動能部分抵消,這就成了一個靜力學力的平衡問題,見下圖(圖中重力項漏了個g,不修改了,不影響結果)。

如圖中,充滿液體的虹吸管中間水平部分可以不計,杯中一端為A,杯外一端為B,吸管中的水是否外流取決於A和B兩端的力的對抗。杯端的管長設為 l1, 杯外的管長設為 l2, 杯端沒水深度為h, PA 和 PB分別為AB兩端的大氣壓強,希臘字母ru 為液體密度,ru a 則為空氣密度。

圖中AB兩端力差最後表達為兩部分的乘積,(1) 水密度 - 空氣密度,永遠為正;(2)h + l2 - l1.

為了啟動虹吸,力差必須大於零,所以(2)必須大於零,因而,l2 可以比 l1 短,但不能短到 h + l2 -l1 為負。

如此虹吸便能啟動,最後的流速取決於這力差與管子的動態阻尼的平衡。

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FollowNature 回複 悄悄話 整個宇宙裏的星體都在運動,地球的自轉公轉難道不是永動?能量何來?
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