桂冠獎精選
2013年文章
2014年文章-1
2015專題入選文章
2014年文章-2
2015年文章
2016年文章
2017年文章
2018年文章
2019年文章
2020年文章
首頁 > 熱門文章 >
物理學四大神獸之馬克士威妖 熱門指數 : 273
作者: 別人家小朋友
中文名稱: 物理學四大神獸之馬克士威妖   | 第二版 | 第一版 |
關鍵字: 熱力學第二定律,熵

 

圖片來源:https://kknews.cc/science/p8ko3mj.html
  有一個妖怪,在你不注意時,悄悄地違反遊戲規則。

看著日益升高的油價,你是否有想過:「如果這個世界上有永動機就好了,能量將不再昂貴,人類也不需要為了它破壞環境」?事實上,你不是第一個這樣想的人。早在許多年前,我們的祖先們就熱衷於製造一個可以無條件的,源源不斷產生能量的機械。
圖片來源:https://baike.baidu.com/pic/%E6%B0%B8%E5%8A%A8%E6%9C%BA/366300/0/6398ecd35b0517f2a9ec9af3?fr=lemma&ct=single#aid=0&pic=9d82d158ccbf6c8136b5e841bf3eb13532fa409d
  十三世紀,法國人亨內考提出了一個形狀怪異的「魔輪」,魔輪類似一個齒輪,從圓心向外輻射出許多重量相等,長度相等的質量球。在轉動時,其中一邊的球會因為重力而落下,並由於離心作用遠離「魔輪」。這時轉動力矩增大,另一邊的力矩就相對小,「魔輪」就可以一直由於力矩的不平衡而永遠地轉動下去。但是聰明的讀者肯定一下就發現,右邊的球雖然距離遠,力矩大,可是球的數量少;左邊的雖然距離近,力矩小,可是球的數量多啊,系統總的力矩仍舊是平衡的,「魔輪」不會自發轉動。
  這種違反熱力學第一定律(或者說能量守恆定律)的永動機,我們稱它為「第一類永動機」。除了亨內考,許多著名的科學家也嘗試過製造第一類永動機,如達文西等。他們的設計有的使用和亨內考一樣的力矩,有的則使用水力,浮力甚至磁力等其他力來實現永動,但無一例外的都失敗了。也就是說,憑空創造能量的「第一類永動機」從理論上到實際上都不可能被實現。
  那麼,既然能量無法被創造,那麼我們能不能退而求其次,從周圍環境中得到熱量,並將其百分百地轉換為功呢?這種從單一熱源取熱,並直接將其做功而不產生影響的機器在歷史上還真有人就嘗試。在1881年美國人約翰•加姆吉設計了「零發動機」,利用海水的熱量將液體氨汽化,推動設備進行運轉。在運轉的時候設備由於對外做功而將熱量還給周圍的環境。聽起來相當厲害,然而實際上循環一次也沒有發生過,這是因為氣態氨是沒有辦法在沒有低溫熱源存在的情況下通過對外做功的方式重新液化的。
  這種不求創造能量而求利用能量平衡來達至永動的機器我們稱之為「第二類永動機」,因為它違反了自然界的熱力學第二定律。第一定律指的是能量守恆,那麼這個所謂的第二定律指的是什麼呢?克勞修斯進行了著名的表述:
「不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不產生其他影響。」
首先我們到底能不能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體?能!我們的冰箱,空調不就是嘛。所產生的其他影響自然就是能量的消耗了,不論是冰箱還是空調,你總得插電對不?又比如將一杯水用擋板分開,使得一邊的水相對高溫另一邊相對低溫,將擋板拿開後最終溫度會趨於兩者的平均。因此在沒有人為的因素下,低溫物體不會主動向高溫物體傳遞熱量。
  克耳文的表述更直接地否定了第二類永動機的實現:
「不可能從單一熱源吸收能量,使之完全變為有用功而不產生其他影響。」
也就是說,如果要使用熱能轉換為功,就必須要有一個低溫熱源的存在,利用高溫熱源和低溫熱源之間的溫度差異才可以做功。這種功我們稱之為溫差電動勢,比如我們將兩杯溫度不同的水用兩根活潑性不同的金屬導線連接起來,導線內會產生電流,這就是溫度差對外做功的表現。因此可以想象如果我們要造一個熱機(使用熱能做功的機器),就必須要保證有高溫熱源和低溫熱源的同時存在。例子包括我們的汽車,引擎點燃燃油後,使用燃燒熱做功的時候必須要將一部分熱排到周圍的空氣中,周圍的空氣就是低溫熱源。
  對於這種自發地從一種狀態到另一種狀態,科學家給他起了個名字:熵。我們可以將熵簡單的理解為系統的「混亂度」,就是越「混亂」,熵值越高。比如說冰塊的分子排列比水更整齊,混亂度更低,因此熵值比水低。它是一種測量一個系統裡面不能做功的能量總和,也就是當系統的總熵增加,其作功能力也會下降,熵的量度就表示了能量的退化與否。熵被用於計算一個系統中的失序現象,熵值則是對此現象的測量。
大量的實驗表明,熱力學系統從一個平衡態到另一平衡態的過程中,其熵永不減少:若過程可逆,則熵不變;若不可逆,則熵增加。因此,熱力學第二定律也可以表述為熵增定律。即是說,宇宙中的的行為總是趨於熵值的增加,從有序趨於無序。在一個孤立系統內,它的熵值總是增加或不變,而不會減少。
  對此蘇格蘭物理學家馬克士威想要質疑熱力學第二定律,他猜測自然界中是否可以有一種違反熵的機制。當然他無法清晰的表達這種機制,只能用一個假想的「妖怪」來做比喻:
「將一個完全隔熱的容器分成相等的兩層,中間的擋板上留有一個由不知名小妖怪控制的門,容器內空氣分子自由地作布朗運動時會隨機地向門上撞擊。當右側來的分子是高速分子時妖怪就將門打開,讓高速分子到左邊去,以及左側是低速分子時也將門打開,讓低速分子到右邊去。也就是說到最後系統的熱不會平衡,而是會在妖怪的選擇下逐漸產生溫差,並且溫差會越來越大。」
 

圖片來源: http://www.bcfans.com/toutiao/redian/13324.html
  因此,如果這種機制(或妖怪)存在的話,物體便可以違反熱力學第二定律,達到主動的熵減了。可是,它真的存在嗎?
事實上,即使妖怪存在,也不會違反熱力學第二定律。這是因為妖怪也要「吃飯」。也就是說,判斷分子的速度這件事和開關門本身就需要消耗能量。這種處理信息的過程是需要付出一定代價的。而且按照量子力學的觀點,如果要測量分子的速度,總要用到一些手段,比如發射電磁波。這樣一來對分子的動能多少也會造成一些影響,損害系統的絕緣性。因此雖然熱量是從低溫物體向高溫物體傳遞,但是卻也產生了「其他影響」,熱力學第二定律並沒有被推翻。
  不論是第一類永動機還是第二類永動機都不可能被實現,馬克士威妖也不存在。而且熱力學第二定律的存在對人類來說絕不是什麼好事,他不但杜絕了能量百分百被利用的可能,還極大的限制了科技的發展。按照定律,熵有增無減,也就是說終有一天宇宙中的熵將會達到最大值,達到溫度的絕對平衡,我們稱之為「熱寂」,屆時便是宇宙必然的終結。因此我們還是祈禱有一天會有人打破熱力學第二定律,避免那一天的到來。
老師文章總評: 人名要附上原文,已經寫在前兩次修改意見之中。  
建議項目: 接受  
 
Copyright ©2013 財團法人國立自然科學博物館文教基金會 版權所有 │ 地址:40453 台中市北區館前路一號 │ 電話:04-23226940#232 │ 傳真:04-23266824 │ 隱私權宣告
建議使用I.E.6.0或Firefox1.0 以上1024x768 Pixels 解析度瀏覽本網站 | E-mail:foundation@mail.nmns.edu.tw | 瀏覽人數 : 214082