探索人性渴求:永动机有可能成为现实吗?

有人说,人本性有三种渴求:长生不老、永不枯竭的能源和取之不尽的财富。

正是对应这三种本能渴望,自古以来就出现了三种历时很久的活动:炼长生不老药、造永动机和炼金术。这三件事情至今也没有做成,而且很可能永远也做不成了。

不过这种追求并不是毫无价值。为了长生不老,古人在炼丹过程中发明了火药;为了点石成金,炼金术使得人们逐渐明了各种物质的性质,导致了现代化学的产生;为了获得永动机,使人们发现了热力学第一、第二定律。

探索人性渴求:永动机有可能成为现实吗?

追求第一类永动机促成热力学第一定律发现

永动机的想法最早起源于印度,佛教里常转的法轮便是永动机的理想模型。公元1200年前后,这种思想又从印度传到了伊斯兰教世界,并从这里传到了西方。在欧洲,有据可查的早期最著名的一个永动机设计方案是13世纪一个叫亨内考的法国人提出来的。亨内考魔轮影响了无数永动机爱好者。

到了15世纪,伟大的艺术家、科学家和工程师达·芬奇也投入了永动机的研究工作。但失败的经验,让达·芬奇认真得出了一个重要结论:“永动机是不可能造成的。”

探索人性渴求:永动机有可能成为现实吗?

达·芬奇

17世纪和18世纪,西方掀起了研制永动机的第一次热潮。人们提出了各种永动机设计方案,这些虚幻的发明大都被聚集在宫廷里。那时候,朝野上下无不相信永动机是可能的。这一梦想像海市蜃楼一样吸引着研究者们,但是,所有这些方案都无一例外地以失败告终。

德国医生、物理学家迈尔在1841-1843年间,提出了热与机械运动之间相互转化的观点。这是热力学第一定律的第一次提出。

英国杰出的物理学家焦耳也曾是一名狂热的“永动机迷”,研制永动机几乎消磨了他全部的业余时间。然而研制永动机的失败引起了焦耳的深思,他吸取了教训,在1840-1848年间做了大量实验,测定了热与多种能量相互转化时严格的数量关系。这就是著名的热功当量。焦耳的实验表明:自然界的一切物质都具有能量,能量可以有多种不同的形式,但通过适当的装置,能量从一种形式转化为另一种形式,在相互转化中,能量的总数量不变。焦耳通过对永动机的研究,启发了有关能量转化关系的思考,并用科学的实验确定了热力学第一定律,补充了迈尔的论证。

探索人性渴求:永动机有可能成为现实吗?

焦耳

1847年,德国物理学家、数学家亥姆霍兹发展了迈尔、焦耳等人的工作,讨论了已知的力学的、热学的、电学的、化学的各种科学成果,严谨地论证了各种运动中能量守恒定律。通过科学家的不停探索,伟大的能量守恒和转化定律被发现了。人们认识到:自然界的一切物质都具有能量,能量有各种不同的形式,可从一种形式转化为另一种形式,从一个物体传递给另一个物体,在转化和传递的过程中能量的总和保持不变。

追求第二类永动机促成热力学第二定律发现

19世纪中叶,能量转化和守恒原理得到了科学界的普遍承认。这一原理给热衷于永动机研制的人们提出另一种启发,在不违反能量转化和守恒原理的前提下,研制另一类永动机:假如能把空气或海水里的热能,通过一种巧妙的机器,全部转化成我们所需要的机械功,这可以成为取之不尽、用之不竭的能源。于是人们幻想在海洋上设置一些巨大的工厂,利用海水里的热能,来进行各种不同的工作,比如利用它来发电,一只轮船可以利用海水中的热量,不必烧煤或烧油,就能到世界各地去航行,而这类想法可称作第二类永动机。

1824年,法国陆军工程师卡诺设想了一个既不向外做功又没有摩擦的理想热机。通过对热和功在这个热机内两个温度不同的热源之间的简单循环(即卡诺循环)的研究,他得出结论:热机必须在两个热源之间工作,热机的效率只取决于热源的温差,热机效率即使在理想状态下也不可能达到100%。即热量不能完全转化为功。

1850年,克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理,总结出的热力学第二定律:没有某种动力的消耗或其他变化,不可能使热从低温转移到高温。

次年,开尔文提出了热力学第二定律的另一种表述方式:不可能从单一热源吸取热量,使之完全变成有用功而不产生其他影响。这是热力学第二定律的“开尔文表述”。开尔文的表述更直接指出了第二类永动机的不可能性。

探索人性渴求:永动机有可能成为现实吗?

开尔文

永动机的热潮在人类历史上持续了几百年,这个神话的破灭,直接促成了热力学第一和第二定律的发现。现在,虽然还有个别人仍痴迷于研制永动机,但早已难成气候了。(游金地整理)


分享到:


相關文章: