煎蛋科学第20期：有趣的永动机 - 永动机（上）

第20期，2019年1月6日，有趣的永动机 - 永动机（上）

上一期我们介绍了随机过程，并且提到了一种叫做布朗棘轮的永动机，这一期我们就来系统的讨论永动机。永动，英文叫做perpetual motion，perpetual就是永恒的意思。这种机器那当然是宇宙间所有生物都梦寐以求的，有了这种东西，我们不需要劳作就能吃上饭，不需要油就能开上车，想想是不是很美好。然而现实是，这个概念从提出到现在，几百年间，并没有人实现过。

早期的永动机，都被称作第一类永动机，first kind。这第一类永动机，包括魔轮，就是一个轮子，碰一下就能转，然后停不下来。这些都是朝着一个不需要任何能量就能永久运动的目标。我们今天看起来都会觉得，是不是傻，但是当时的科学家可没有能量守恒的知识。能量守恒定律，也是热力学第一定律，是1843年焦耳提出的。之前的人可能都没意识到有这么个规律。有朋友可能觉得奇怪，焦耳这么大能耐，为啥这热力学第一定律，不叫焦耳定律呢？因为在这之前两年，焦耳定律就已经有了，就是我们高中学过的电功率等于电流平方乘以电阻。第一类永动机通常认为不可实现，是因为违背了热力学第一定律。因为空气有摩擦，如果机器一直运动，便一定要克服摩擦力做功，能量显然是不守恒的。

我们还可以从另外一个思路理解第一类永动机的失败，那就是通过牛顿第一定律。这个定律我们高中都学过，而且也非常好理解，说的是任何物体都会保持匀速直线运动，直到不平衡的外力迫使它改变。记性好的朋友可能会说，你说的不对，应该是物体都会保持静止或者匀速直线运动。不知道听友们有没有想过，静止不也是一种匀速直线运动么？只不过速度是0。牛顿的原文实际上是并没有强调静止的，只说了恒定速度。第一类永动机没法实现，是由于空气摩擦和机械摩擦的存在，外力肯定不是0。

说完了第一类永动机，那第二类永动机可想而知，是违背热力学第二定律的设计。这些设计对我们现代人来说，没有大学物理基础还真的很难看出纰漏。这一类永动机的思路是，不摄取能量好像不行，那就来点热量，然后把热量转化成机械能，在机械能耗散之前再转化回热量。这整个闭环能量转换，听起来就酷炫，实际上没法实现，因为这违背了热力学第二定律。热力学第二定律，是大名鼎鼎的开尔文勋爵和德国科学家克劳修斯一起提出的，有很多种描述，意思都差不多。我们主要讲讲开尔文勋爵的描述，单一热源的热不可能完全转化为功而不引起其他变化。这就彻底否定了刚才我们说的那个闭环，功可以转化为热，没用，热没法完全转化为功。这也就是现代热机的原理，汽车发动机也没法实现百分之百的转化，柴油机能有个40%就很好了，汽油机更低。历史上的第二类永动机，要么没法形成闭环回路，要么形成了回路发现根本没法达到100%转换。

说完了前两类永动机，有朋友可能正吃着瓜子等着蛋博士讲第三类永动机。哪有第三类永动机？热力学第三定律，就是绝对零度不可达到，我们在温度探索系列中讲过，跟永动机没关系。我们刚才说到了开尔文和克劳修斯，开尔文也是开氏温度的定义者，我们之前在温度探索系列中已经讲过了。开尔文勋爵，其实不姓开尔文，开尔文是男爵的称号，叫做Baron Kelvin或者Lord Kelvin，这跟冰火里面的Lord Lannister是不一样的，人家本来就姓Lannister。开尔文勋爵姓汤姆森，热力学里面还有个著名的等焓膨胀后温度变化的过程，又叫焦耳汤姆森效应，用的就是汤姆森的原名。学术界改名字真的是很尴尬，本来你名气挺大，然后改个名字练个小号，又得奋斗半天，小号刚开始练的时候非常难，没名气也没人给你钱做研究。为什么这一定要叫焦耳汤姆森效应呢？因为老哥发现这效应的时候28岁还没封爵。。。我们会发现热力学领域早期的科研，翻来覆去也就那么几号人，刚才还说了一位热力学第二定律的共同提出人，鲁道夫克劳修斯。这老哥可能知道的人少些，但是，熵这个概念就是他提出来的。克劳修斯关于热力学第二定律还有个描述，那就是热量不会自发的从低温物体转移到高温物体而不引起其他变化。这两种描述我们高中物理书应该都有。基于这种描述，有位跨界大神就开了个很大的脑洞。

这就是大名鼎鼎的詹姆斯麦克斯韦。很多物理系或者电子系毕业的朋友们好像无可避免的会接触到老哥推导的麦克斯韦方程，考试考这方程真的是一头包。但是，毫无疑问麦克斯韦方程至今仍然是数学史上最伟大的最优美的方程之一。物理学家跨个界真的不要太简单，那比歌手去演电影简单多了，完全不会被喷。之前我们讲的朱棣文拿了诺奖之后就不做冷原子了，开始研究DNA折叠，也做的非常成功。麦克斯韦曾经提出一个思维实验，一个箱子正中间有一面墙，墙上有一个小洞，洞上站着个小恶魔，英文叫做demon。箱子内充满了气体，那气体分子热运动肯定不是大家都一个速度，肯定是有块有慢。这小恶魔非常机智，当运动的快的分子从左边到右边时，小恶魔就把洞打开，如果想从右边到左边，小恶魔不允许，于是把洞关上。运动慢的分子想从左边到右边时，小恶魔也关上洞，反之则无所谓。于是不多久，右边全是运动快的，左边全是运动慢的，因为温度是分子运动快慢的宏观体现，所以右边的箱子比左边的温度高。这不就是克劳修斯描述吗，温度从低到高传递，并不引起任何变化？有了这个体系，何愁做不出永动机。

麦克斯韦恶魔，和上一期我们讲的布朗棘轮，都是永动机的思维实验，并没有人做出来，但是这些思维实验，就已经引起了不少科研人员的兴趣，如果这些永动机在理论上能站得住脚，那做出来也只是早晚的事。我们下一期会引用近期的文献来讲解，这两种永动机能不能实现。今天的节目就到这里，感谢大家收听，我们下期再见！