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熱力學(xué)第一定律出爐之后，確實(shí)打消了一大部分人對于永動機(jī)的奢望，但還有一部分科學(xué)家指出，雖然能量守恒，但宇宙終歸浩渺，地球畢竟廣闊，留給我們的能量空間還很大呢。如果能設(shè)計出一種裝置，從海洋、大氣甚至宇宙中吸取熱能，并將這些熱能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動機(jī)械的動力，豈不是既不違反能量守恒定律，也可以得到無盡的能源嗎？ 這種機(jī)械被稱為第二類永動機(jī)，而之前各種違背熱力學(xué)第一定律的機(jī)械被稱為第一類永動機(jī)。 比如有人認(rèn)為，海洋如此遼闊，我們可以利用海洋的熱能，讓熱的海水進(jìn)入機(jī)器，通過精巧的設(shè)計，排出冷水，其中的熱能不就可以用來給我們做功嗎？如下圖：
美國人19世紀(jì)設(shè)想的船舶，吸進(jìn)溫暖的海水，排出寒冷的冰塊，想法很好…（圖片來源：youtube） 這個想法太完美了！ 我們身邊就有很多空氣啊，它們中不也蘊(yùn)藏著巨大的能量嗎？按照這個道理，把空調(diào)反過來開，能源不就源源不斷了嗎？ 你可能要說：“不用學(xué)習(xí)什么定律、理論，按照我多年的生活經(jīng)驗(yàn)，我就知道不插電讓空調(diào)自己開，這是不可能的！”
不插電，空調(diào)能自動運(yùn)轉(zhuǎn)嗎？（圖片來源：google） 是啊，我們都看習(xí)慣了，熱量從熱的地方轉(zhuǎn)移到冷的地方，從而讓物質(zhì)的溫度更加均勻。而要讓熱量反過來走，就必須依賴空調(diào)、冰箱，但誰看過空調(diào)、冰箱不插電就能工作呢？
冰箱和空調(diào)的核心部件：壓縮機(jī)（圖片來源：google） 制造空調(diào)前， 首先你需要知道熱力學(xué)第二定律 確實(shí)如此，空調(diào)的原理來自卡諾對于熱機(jī)的研究，卡諾一開始倒不是為了造空調(diào)、冰箱，而是為了提升熱機(jī)的效率，也就是如何將高溫?zé)嵩蠢锏臒崃刻崛〕鰜恚瑢ν庾龉Α?/p> 窮盡自己的智慧之后，卡諾發(fā)現(xiàn)，要將高溫TH處的熱量QH提出來做功W，必須還要傳遞一些熱量QC到低溫TC處。我們只能得到輸出功W=QH-QC，而無法得到所有的QH。而因?yàn)镼H和QC分別正比于TH和TC，因此熱機(jī)效率k=W/ QH=TH-TC/TH，這肯定是小于1的。 于是，卡諾終于為終極宇宙奧秘所折服，總結(jié)出了卡諾原理：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熱源的溫度，而且無論工作物質(zhì)是什么，它們的效率是相同的。這樣操作的卡諾熱機(jī)是利用這兩種溫度最有效的熱機(jī)。
卡諾熱機(jī)原理圖示：熱量QH要想做功（W），必須從高溫區(qū)域（TH）傳遞到低溫區(qū)域（TC），其中會損失熱量QC（圖片來源：wiki） 以上內(nèi)容看不懂也沒關(guān)系，簡單來說就是，我們無法利用所有的熱量而將熱機(jī)效率提升到100%。反過來，要將熱量從冷的地方提出來送到熱的地方去，那就必須“付費(fèi)”，即消耗額外的能量。如下圖，這就是空調(diào)、冰箱的原理，也就是一個“反熱機(jī)”，將熱量從低溫區(qū)域（室內(nèi)）移到室外，則必須要輸入功W（插電），才能將熱量QH移到高溫處（室外）。
空調(diào)就是一種“反熱機(jī)”，用熱泵（Heat pump）將熱量從冷源（Cold reservoir at Tc）提取出來送給熱源（Hot reservoir at Th），必須輸入額外的功（W）（圖片來源：wiki） 卡諾原理算是熱力學(xué)第二定律的雛形，要知道，卡諾提出卡諾原理是在1824年，這還在熱力學(xué)第一定律之前很多年。很可惜的是，卡諾英年早逝，一直到1850年，克勞修斯才在卡諾的基礎(chǔ)上，提出了比較完整的熱二定律的表述： 熱不可能從一個較冷的物體傳遞到一個較熱的物體而不發(fā)生與此相關(guān)的其他變化。
克勞修斯兩句話說完熱力學(xué)兩大定律（圖片來源：wiki） 再后來，開爾文也有一個表述：不可能制成一種循環(huán)動作的熱機(jī)，從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?/strong> 這個說法等效于：第二類永動機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)。
開爾文（圖片來源：wiki） 能量的“搬運(yùn)”總是充滿“坎坷” 原來，我們身處一個充滿“摩擦”和“坎坷”的世界。只要你想將能量從這里搬運(yùn)到那里，就必須被消耗掉一部分。比如我們開車，就有一部分的汽油需要消耗在地面和輪子的摩擦力上。 而當(dāng)我們打開發(fā)動機(jī)，仔細(xì)研究其中的機(jī)械，會發(fā)現(xiàn)盡管存在很多機(jī)油潤滑，還是會有很多地方有磕碰和摩擦。當(dāng)它運(yùn)轉(zhuǎn)起來以后，你會發(fā)現(xiàn)，這發(fā)動機(jī)可不光會把氣體加熱，也會加熱氣缸，當(dāng)尾氣排出，工程師也真的想對著尾氣大喊一聲：“停！留下買路錢！”讓這些高溫的氣體把熱量留下來，而自動變涼出去，雖然這不過是縹緲的幻想。 因此，一臺汽油發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率只有25-50%，也就是說，我們油錢的一半以上都被浪費(fèi)了。
設(shè)計如此精巧的汽車發(fā)動機(jī)，機(jī)械效率卻如此之低？（圖片來源：google） 其實(shí)影響機(jī)械效率的因素可不止上面兩條，再比如氣體的不完全燃燒。現(xiàn)實(shí)中的氣體當(dāng)然不是理想氣體，分子與分子之間存在微小的范德華力，這些微小的吸附力導(dǎo)致氣體難以充分混合，有時候需要“排排隊”才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而最終不能完全燃燒。所以我們的汽車尾氣里總會有一氧化碳、一氧化氮等毒性物質(zhì)，更因此我們的發(fā)動機(jī)總會遭受積碳困擾。
小伙子，要不要加瓶燃油寶？（圖片來源：google） 說起化學(xué)反應(yīng)，有人會說：“碩大的機(jī)械過于笨重，我喜歡柔軟的化學(xué)之美。構(gòu)造一個化學(xué)可逆反應(yīng)，比如氫燃料電池，先將水電解成氫氣和氧氣，再讓氫氣在電池里“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？”
一種燃料電池示意圖（圖片來源：google） 理論上似乎很美麗，但這位同學(xué)忘記了一個“活化能”的概念。將氫氣和氧氣混合在一起，在常溫下它們也不會燃燒，必須有明火、火花等提供活化能，它們才會發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)。 更何況，各種電池也難以避免熱量的損耗，氫燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率最多也只能達(dá)到80%。
活化能（EA）示意圖，雖然從反應(yīng)物（reactants）到產(chǎn)物（products）之間的吉布斯自由能（△ G）小于零，反應(yīng)理論上完全可以發(fā)生，但還必須克服活化能（EA）才能發(fā)生反應(yīng)。（圖片來源：wiki） 說到電，這似乎是一條最好的能量傳遞方式。但是傳遞電的介質(zhì)也會有電阻，這是電流遇到的“摩擦”。 當(dāng)然現(xiàn)在人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了“超導(dǎo)體”，這是后話。
電阻的示意圖（圖片來源：google） 這時候又有小伙伴有話要說：“我能找到一個沒有‘摩擦’的地方，那就是太空?！?/p> 是啊，太空比人工制造的任何真空都還要“空”，這也是最好的驗(yàn)證“牛頓第一定律”的地方：如果沒有摩擦力，物體將保持原來的運(yùn)行狀態(tài)。然而我們知道，有溫度的物體都會自發(fā)地產(chǎn)生熱輻射，如果一個宇航員不慎墜入太空，經(jīng)過足夠長的時間，他的肉身會輻射殆盡，變成虛無的粒子。
墜入太空的宇航員最終會變成什么？（圖片來源：google） 這就是熱力學(xué)第二定律告訴我們的：熱——這種“可恨”的東西——總是希望變得更加均勻。 熱的物體和冷的物體接觸，會變成中間溫度，這是熱傳遞；將熱的流體和冷的流體放到一起，它們會彼此穿插到對方的隊伍里，這是熱對流；就連兩個相隔幾光年遠(yuǎn)的不同溫度的物體，它們還是會跨越時空，希望通過熱輻射的形式達(dá)到熱平衡。
三種熱的傳遞方式：熱傳導(dǎo)（conduction），熱對流（convection），熱輻射（radiation） （圖片來源：google） 1865年，克勞修斯更進(jìn)一步提出了“熵”的概念，可以理解成體系的無序程度。按照熱力學(xué)第二定律，一個封閉體系的熵總是不斷增加，直到熱平衡狀態(tài)，這時候體系的熵最大，也徹底喪失了做功的能力。
熱二告訴我們：體系總是變得更加混亂（圖片來源：google） 我們可以認(rèn)為宇宙是一個封閉體系，因此可以推斷出，宇宙最終也會達(dá)到熱力學(xué)平衡，這叫做“熱寂”。這時的宇宙無序程度最大，所有的生命都不復(fù)存在，這是宇宙的終極末日。
宇宙的終極歸宿是“熱寂”嗎？（圖片來源：google） 試圖挑戰(zhàn)熱力學(xué)第二定律？ 歷史告訴你：沒門兒！ 熱力學(xué)第一、第二定律的出現(xiàn)，似乎已經(jīng)宣布了各種永動機(jī)的死刑，但是大神麥克斯韋有話要說：熱力學(xué)第二定律真的成立嗎？ 于是他構(gòu)造了這么一個思想實(shí)驗(yàn)： 由一個小妖精控制著兩個氣室之間的一扇小門，我們知道氣體分子的速度按照玻爾茲曼分布，有快的，也有慢的。這個小妖精讓快的氣體分子進(jìn)入左邊，而讓慢的分子進(jìn)入右邊，這樣，體系的熵不是減少了嗎？兩邊不是產(chǎn)生了溫差了嗎？這個溫差不就可以用來做功了嗎？ 這個小妖精因此被稱為“麥克斯韋小妖”，位列物理學(xué)四大神獸之一。
設(shè)置一個小妖精開門關(guān)門，就可以燒開水啦！ （圖片來源：google） 其實(shí)想一想，就知道麥大神的錯誤在哪里。這個小妖精可不是“活雷鋒”，它在如此勤勞的操作過程中，也需要耗費(fèi)大量的能量，比如它需要觀察每個分子的速度，還要不斷地開門關(guān)門，如果它是碳基生命，可能還需要進(jìn)食和排便，那這些能量從哪來呢？ 所以，有了麥小妖，就不能僅僅把左右氣室作為孤立系統(tǒng)，而應(yīng)該將麥小妖和氣室放在一個大系統(tǒng)里，這時會驚奇的發(fā)現(xiàn)，整個系統(tǒng)還是遵守?zé)崃W(xué)第二定律的。
小妖：你們把我忘了嗎？我餓了…（圖片來源：wiki） 與麥克斯韋小妖類似，約一個世紀(jì)后，聰明的費(fèi)曼設(shè)計了一個“費(fèi)曼棘輪”，如下圖，在《費(fèi)曼物理講義》第一卷46章里可以找得到。 右邊的箱子里是一根帶葉片的轉(zhuǎn)軸，當(dāng)氣體分子撞擊葉片，葉片就會轉(zhuǎn)起來。這根轉(zhuǎn)軸連到左邊箱子的一個棘輪，輪上安置了一個掣爪，讓這個棘輪只能向一邊轉(zhuǎn)動。這樣，即使兩邊溫度相同（T1=T2），這個裝置也可以對外做功。也就是說，費(fèi)曼的裝置竟然利用氣體碰撞的漲落做出了功，很多人誤以為這里的能量來自布朗運(yùn)動，因此這也被稱為“布朗棘輪”。
《費(fèi)曼物理講義》第一卷第46章里有介紹 （圖片來源：《費(fèi)曼物理講義》） 剛才不是說熱二是宇宙終極定律嗎？難道“費(fèi)曼棘輪”真的駁倒了熱力學(xué)第二定律嗎？ 顯然不可能，那么“費(fèi)曼棘輪”的問題出在哪里呢？ 費(fèi)曼本人在《費(fèi)曼物理講義》里已經(jīng)給出了答案：左箱的棘輪和右箱的葉片都處于溫度T，因此也具有布朗運(yùn)動（熱漲落）。由于這種漲落，掣爪會時不時地抬起來，于是無法控制棘輪的轉(zhuǎn)向。棘輪一會倒轉(zhuǎn)一會正轉(zhuǎn)，自然不能做出有效的功。
費(fèi)曼棘輪（圖片來源：google） 麥克斯韋雖然在小妖的問題上犯了錯誤，但“麥克斯韋小妖”卻堪稱最偉大的思想實(shí)驗(yàn)之一。科學(xué)界在這個問題上進(jìn)行了深刻反思，結(jié)果是人類對世界的認(rèn)知又深入了一大步。 比如香農(nóng)就借鑒了熱力學(xué)的概念，把信息中排除了冗余后的平均信息量稱為“信息熵”，并給出了計算信息熵的數(shù)學(xué)表達(dá)式。香農(nóng)因此而被稱為“信息論之父”。
信息論之父：香農(nóng)（圖片來源：wiki） 俄裔比利時物理學(xué)家普利高津提出了“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。原來，熱力學(xué)并非簡單粗暴地禁止有序結(jié)構(gòu)的自發(fā)產(chǎn)生，在系統(tǒng)和外界有物質(zhì)和能量交換的情況下，同時伴有系統(tǒng)的熵產(chǎn)生（耗散），是可以產(chǎn)生更有序的結(jié)構(gòu)的，這種有序結(jié)構(gòu)就是“自組織”。這種“耗散結(jié)構(gòu)”理論后來甚至被用于解釋生命和社會現(xiàn)象。 普里高津也因此而榮獲1977年諾貝爾化學(xué)獎。
提出耗散結(jié)構(gòu)的普利高津 總之，熱力學(xué)第二定律誕生以后，已經(jīng)被各種實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)象證明是宇宙最最普適的物理定律。愛丁頓曾對此高度評價：“熱力學(xué)第二定律是自然界所有定律中至高無上的……如果你發(fā)現(xiàn)你的理論違背了熱力學(xué)第二定律，我就敢說你沒指望了，你的理論只有丟臉、垮臺！”
愛丁頓（右）和愛因斯坦（左）在思考人生。（圖片來源：wiki） 下期請看：人類與“永動機(jī)”的千年恩怨（四）零點(diǎn)能？時間晶體？是科學(xué)還是科幻？ |
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