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            人类与“永动机”的千年恩怨(三):充溢崎岖的能量转移之路

            admin 2020-02-14 127人围观 ,发现0个评论

            重视风云之声

            提高思维层次

            导读


            热力学榜首规律出炉之后,的确打消了一大部分人关于永动机的奢求,但还有一部分科学家指出,假如能规划出一种设备,从海洋、大气乃至国际中汲取热能,并将这些热能转化为驱动机械的动力,岂不是既不违反能量守恒规律,也能得到无尽的动力吗?这种机械被称为第二类永动机。

            热力学第二规律诞生今后,现已被各种试验和现象证明是国际最最普适的物理规律。爱丁顿曾对此高度评价:“热力学第二规律是天然界一切规律中登峰造极的……假如你发现你的理论违反了热力学第二规律,我就敢说你没指望了,你的理论只需丢人、倒台!”

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            热力学榜首规律出炉之后,的确打消了一大部分人关于永动机的奢求,但还有一部分科学家指人类与“永动机”的千年恩怨(三):充溢崎岖的能量转移之路出,尽管能量守恒,但国际终归浩渺,地球究竟宽广,留给咱们的能量空间还很大呢。假如能规划出一种设备,从海洋、大气乃至国际中汲取热能,并将这些热能转化为驱动机械的动力,岂不是既不违反能量守恒规律,也能够得到无尽的动力吗?

            这种机械被称为第二类永动机,而之前各种违反热力学榜首规律的机械被称为榜首类永动机。

            比方有人以为,海洋如此广阔,咱们能够使用海洋的热能,让热的海水进入机器,经过精巧的规划,排出冷水,其间的热能不就能够用来给咱们做功吗?如下图:

            美国人19世纪想象的船只,吸进温暖的海水,排出冰冷的冰块,主意很好…(图片来历:youtube)

            这个主意太完美了!

            咱们人类与“永动机”的千年恩怨(三):充溢崎岖的能量转移之路身边就有许多空气啊,它们中不也蕴藏着巨大的能量吗?依照这个道理,把空调反过来开,动力不就连绵不断了吗?

            你或许要说:“不必学习什么规律、理论,依照我多年的生活经验,我就知道不插电让空调自己开,这是不或许的!”

            不插电,空调能主动作业吗?(图片来历:google)

            是啊,咱们都看习惯了,热量从热的当地转移到冷的当地,然后让物质的温度愈加均匀。而要让热量反过来走,就有必要依靠空调、冰箱,但谁看过空调、冰箱不插电就能作业呢?

            冰箱和空调的核心部件:压缩机(图片来历:google)

            制作空调前,

            首要你需求知道热力学第二规律

            的确如此,空调的原理来自卡诺关于热机的研讨,卡诺一开始倒不是为了造空调、冰箱,而是为了提高热机的功率,也便是如何将高温热源里的热量提取出来,对外做功。

            尽头自己的才智之后,卡诺发现,要将高温TH处的热量QH提出来做功W,有必要还要传递一些热量QC到低温TC处。咱们只能得到输出功W=QH-QC,而无法得到一切的QH。而因为QH和QC别离正比于TH和TC,因而热机功率k=W/ QH=TH-TC/TH,这肯定是小于1的。

            所以,卡诺总算为终极国际奥妙所信服,总结出了卡诺原理:准静态卡诺循环和可逆卡诺循环的功率只取决于两个热源的温度,并且不管作业物质是什么,它们的功率是相同的。这样操作的卡诺热机是使用这两种温度最有用的热机。

            卡诺热机原理图深圳国税示:热量QH要想做功(W),有必要从高温区域(TH)传递到低温区域(TC),其间会丢失热量QC(图片来历:wiki)

            以上内容看不懂也不要紧,简略来说便是,咱们无法使用一切的热量而将热机功率提高到100%。反过来,要将热量从冷的当地提出来送到热的当地去,那就有必要“付费”,即消耗额定的能量如下图,这便是空调、冰箱的原理,也便是一个“反热机”,将热量从低温区域(室内)移到室外,则有必要要输入功W(插电),才干将热量QH移到高温处(室外)。

            空调便是一种“反热机”,用热泵(Heat pump)将热量从冷源(Cold reservoir at Tc)提取出来送给热源(Hot reservoir at Th),有必要输入额定的功(W)(图片来历:wiki)

            卡诺原理算是热力学第二规律的雏形,要知道,卡诺提出卡诺原理是在1824年,这还在热力学榜首规律之前许多年。很可惜的是,卡诺英年早逝,一直到1850年,克劳修斯才在卡诺的基础上,提出了比较完好的热二规律的表述:

            热不或许从一个较冷的物体传递到一个较热的物体而不发作与此相关的其他改变。

            克劳修斯两句话说完热力学两大规律(图片来历:wiki)

            再后来,开尔文也有一个人类与“永动机”的千年恩怨(三):充溢崎岖的能量转移之路表述:不或许制成一种循环动作的热机,从单一热源取热,使之完全变为功而不引起其它改变。

            这个说法等效于:第二类永动机不或许完成。

            开尔文(图片来历:wiki)

            能量的“转移”总是充溢“崎岖”

            本来,咱们身处一个充溢“冲突”和“崎岖”的国际。只需你想将能量从这儿转移到那里,就有必要被消耗掉一部分。比方咱们开车,就有一部分的汽油需求消耗在地上和轮子的冲突力上。

            而当咱们翻开发动机,细心研讨其间的机械,会发现尽管存在许多机油光滑,仍是会有许多当地有磕碰和冲突。当它作业起来今后,你会发现,这发动机可不光会把气体加热,也会加热气缸,当尾气排出,工程师也真的想对着尾气大喊一声:“停!留下买路钱!”让这些高温的气体把热量留下来,而主动变凉出去,尽管这不过是缥缈的梦想。

            因而,一台人类与“永动机”的千年恩怨(三):充溢崎岖的能量转移之路汽油发动机的机械功率只需25-50%也便是说,咱们油钱的一半以上都被浪费了。

            规划如此精巧的轿车发动机,机械功率却如此之低?(图片来历:google)

            其实影响机械功率的要素可不止上面两条,再比方气体的不完全焚烧。实际中的气体当然不是理想气体,分子与分子之间存在细小的范德华力,这些细小的吸附力导致气体难以充沛混合,有时候需求“排排队”才干发作化学反响,因而终究不能完全焚烧。所以咱们的轿车尾气里总会有一氧化碳、一氧化氮等毒性物质,更因而咱们的发动机总会遭受积碳困扰。

            小伙子,要不要加瓶燃油宝?(图片来历:google)

            说起化学反响,有人会说:“硕大的机械过于粗笨,我喜爱柔软的化学之美。结构一个化学可逆反响,比方氢燃料电池,先将水电解成氢气和氧气,再让氢气在电池里“焚烧”,氢燃料电池奉献的能量不正好等于电解水的能耗吗?”

            一种燃料电池示意图(图片来历:google)

            理论上好像很美丽,但这位同学忘记了一个“活化能”的概念。将氢气和氧气混合在一同,在常温下它们也不会焚烧,有必要有明火、火花等供给活化能,它们才会发作剧烈的化学反响。

            更何况,各种电池也难以避免热量的损耗,氢燃料电池的能量转换率最多也只能到达80%。

            活化能(EA)示意图,尽管从反响物(reactants)到产品(products)之间的吉布斯自由能变(△ G)小于零,反响理论上完全能够发作,但还有必要战胜活化能(EA)才干发作反响。(图片来历:wiki)

            提到电,这好像是一条最好的能量传递方法。可是传递电的介质也会有电阻,这是电流遇到的“冲突”。

            当然现在人类现已发现了“超导体”,这是后话。



            电阻的示意图(图片来历:google)

            这时候又有小伙伴有话要说:“我能找到一个没有‘冲突’的当地,那便是太空。”

            是啊,太空比人工制作的任何真空都还要“空”,这也是最好的验证“牛顿榜首规律”的当地:假如没有冲突力,物体将坚持本来的运转状况。可是咱们知道,有温度的物体都会自发地发生热辐射,假如一个宇航员不小心坠入太空,经过满足长的时刻,他的肉身会辐射殆尽,变成虚无的粒子。

            坠入太空的宇航员终究会变成什么?(图片来历:google)

            这便是热力学第二规律告知咱们的:热——这种“可恨”的东西——总是期望变得愈加均匀。

            热的物体和冷的物体触摸,会变成中心温度,这是热传递;将热的流体和冷的流体放到一同,它们会互相穿插到对方的部队里,这是热对流;就连两个相隔几光年远的不同温度的物体,它们仍是会跨过时空,期望经过热辐射的方法到人类与“永动机”的千年恩怨(三):充溢崎岖的能量转移之路达热平衡。

            三种热的传递方法:热传导(conduction),热对流(convection),热辐射(radiation)

            (图片来历:google)

            1865年,克劳修斯更进一步提出了“熵”的概念,能够了解成体系的无序程度。依照热力学第二规律,一个关闭体系的熵总是不断添加,直到热平衡状况,这时候体系的熵最大,也完全丧失了做功的才能。

            热二告知咱们:体系总是变得愈加紊乱(图片来历:google)

            咱们能够以为国际是一个关闭体系,因而能够推断出,国际终究也会到达热力学平衡,这叫做“热寂”。这时的国际无序程度最大,一切的生命都不复存在,这是国际的终极末日。

            国际的终极归宿是“热寂”吗?(图片来历:google)

            企图应战热力学第二规律?

            前史告知你:没门儿!

            热力学榜首、第二规律的呈现,好像现已宣告了各种永动机的死刑,可是大神麦克斯韦有话要说:热力学第二规律真的建立吗?

            所以他结构了这么一个思维试验:

            由一个小妖精操控着两个气室之间的一扇小门,咱们知道气体分子的速度依照玻尔兹曼散布,有快的,也有慢的。这个小妖精让快的气体分子进入左面,而让慢的分子进入右边,这样,体系的熵不是削减了吗?两头不是发生了温差了吗?这个温差不就能够用来做功了吗?

            这个小妖精因而被称为“麦克斯韦小妖”,位列物理学四大神兽之一。

            设置一个小妖精开门关门,就能够烧开水啦!

            (图片来历:google)

            其实想一想,就知道麦大神的过错在哪里。这个小妖精可不是“活雷锋”,它在如此勤劳的操作过程中,也需求消耗很多的能量,比方它需求调查每个分子的速度,还要不断地开门关门,假如它是碳基生命,或许还需求进食和排便,那这些能量从哪来呢?

            所以,有了麦小妖,就不能仅仅把左右气室作为孤立体系,而应该将麦小妖和气室放在一个大体系里,这时会惊讶的发现,整个体系仍是恪守热力学第二规律的。

            小妖:你们把我忘了吗?我饿了…(图片来历:wiki)

            与麦克斯韦小妖相似,约一个世纪后,聪明的费曼规划了一个“费曼棘轮”,如下图,在《费曼物理讲义》榜首卷46章里能够找得到。

            右边的箱子里是一根带叶片的转轴,当气体分子碰击叶片,叶片就会转起来。这根转轴连到左面箱子的一个棘轮,轮上安顿了一个掣爪,让这个棘轮只能向一边滚动。这样,即便两头温度相同(T1=T2),这个设备也能够对外做功。也便是说,费曼的设备居然使用气体磕碰的涨落做出了功,许多人误以为这儿的能量来自布朗运动,因而这也被称为“布朗棘轮”。



            《费曼物理讲义》榜首卷第46章里有介绍

            (图片来历:《费曼物理讲义》)

            方才不是说热二是国际终极规律吗?莫非“费曼棘轮”真的驳倒了热力学第二规律吗?

            明显不或许,那么“费曼棘轮”的问题出在哪里呢?

            费曼本人在《费曼物理讲义》里现已给出了答案:左箱的棘轮和右箱的叶片都处于温度T,因而也具有布朗运动(热涨落)。因为这种涨落,掣爪会时不时地抬起来,所以无法操控棘轮的转向。棘轮一会倒转一会正转,天然不能做出有用的功。

            费曼棘轮(图片来历:google)

            麦克斯韦尽管在小妖的问题上犯了过错,但“麦克斯韦小妖”却可谓最巨大的思维试验之一。科学界在这个问题进步行了深刻反思,结果是人类对国际的认知又深入了一大步。

            比方香农就学习了热力学的概念,把信息中排除了冗余后的均匀信息量称为“信息熵”,并给出了核算信息熵的数学表达式。香农因而而被称为“信息论之父”。

            信息论之父:香农(图片来历:wiki)

            俄裔比利时物理学家普利高津提出了“最小熵发生定理”,并在此基础上提出了“耗散结构”理论。本来,热力学并非简略粗犷地制止有序结构的自发发生,在体系和外界有物质和能量交流的情况下,一起伴有体系的熵发生(耗散),是能够发生更有序的结构的,这种有序结构便是“自组织”。这种“耗散结构”理论后来乃至被用于解说生命和社会现象。

            普里高津也因而而荣获1977年诺贝尔化学奖。

            提出耗散结构的普利高津

            总归,热力学第二规律诞生今后,现已被各种试验和现象证明是国际最最普适的物理规律。爱丁顿曾对此高度评价:“热力学第二规律是天然界一切规律中登峰造极的……假如你发现你的理论违反了热力学第二规律,我就敢说你没指望了,你的理论只需丢人、倒台!”

            爱丁顿(右)和爱因斯坦(左)在考虑人生。(图片来历:wiki)

            扩展阅览:

            人类与“永动机”的千年恩怨(一):木鸢、木牛流马、魔轮… | 鲁超

            人类与“永动机”的千年恩怨(二):存在“额定”的能量吗?| 鲁超

            永动机小科普

            布景简介:本文作者鲁超,江苏省科普作家协会科幻专业委员会副主任,江苏省科普作家协会会员。结业于南京大学物理系,代表著作《鬼脸化学课——元素宗族》,被列为中国化学会“IYPT 2019优异科普图书”书目,并取得第十届江苏省优异科普著作一等奖。文章2019年8月30日发表于微信大众号 科学大院 (https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3MzE3OTI0Mw==&mid=2247495158&idx=1&sn=99bcf7973dc9e7756b6172df1ee8d547),风云之声获授权转载。

            责任编辑:孙远

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