人類與“永動機”千年恩怨:存在“額外”的能量嗎?
2019年08月23日10:20

  來源: 科學大院

  波義爾不光折騰永動機,還是熱力學的開創者之一,他利用格里克發明的真空泵研究出了波義爾定律(高中物理都要考的)。在這個背景下,蒸汽機應運而生,在瓦特大幅提升了蒸汽機效率之後,工業革命正式來襲。科學技術促進生產的發展,反過來工業效率的提升又極大地加深人們對科學原理的認知。一大批科學家投身熱力學,在他們的研究過程中,人類接觸到了宇宙終極奧義。

熱力學是一種可以改變人生觀的學問(圖片來源:google)
熱力學是一種可以改變人生觀的學問(圖片來源:google)

  能量始終守恒

  1842年,德國物理學家邁耶提出:在恒壓過程中,用來產生膨脹的熱量與功之間普遍可互換。

  1850年,克勞修斯在此基礎上給出了一個更加明確的說法:在所有熱機做功的情況下,所消耗的熱量與所做的功成正比;反過來,等量的功產生等量的熱。這就是熱力學第一定律,也就是能量守恒定律。

  這時候人們終於發現,任何一個封閉體系的能量都是一定的,只是從一種形式轉化成另一種形式。比如你抬起一個乒乓球,然後放手讓它落下,球的勢能轉化為動能,速度越來越快,直到彈到地上,動能轉化成空氣振動的機械能,這就是乒乒乓乓的聲音,除此之外,還將地面和自己也加熱了那麼一點點。

(圖片來源:google)
(圖片來源:google)

  當我們打開電燈,電能通過電線輸入,轉化為可見的光能,也產生了一點熱能。

  我們點燃酒精爐加熱食物,這是蘊藏在酒精里的化學能變成熱能和光能。

  就連驅動人體運動的能量,也來自食物里的化學能。不吃飯餓肚子,更跑不動。

  而如果你要想跟造物主耍點小聰明,想要通過精巧的設計來創造出額外的能量,上帝會給你出示警示牌:“對不起,你沒有權限!”而如果想要偷取上帝的一點點能量,那更是癡人說夢了!

(設計台詞)上帝:把人類那幫小兔崽子都盯緊了,防火防盜防人類!(圖片來源:wiki)
(設計台詞)上帝:把人類那幫小兔崽子都盯緊了,防火防盜防人類!(圖片來源:wiki)

  “額外”的能量存在嗎?

  儘管人們在自然界探尋到了一些有趣的現象,發現了看似“額外”的能量,並想辦法去利用它們。但最終仍然是失敗了,因為能量守恒定律無處不在。當然先人的工作仍然很有意義,因為他們擴大了我們的認知範圍。

  1827年,英國發明家康格里夫爵士觀察到毛細現象,水在特別細的管子裡竟然會自動上升,這能量是從哪裡來的呢?他就此腦洞大開,設計出一套裝置,用滑輪帶動一個斜面,從頂部到底部,貼附了一整圈的海綿,康格里夫相信,由於海綿的毛細作用,他的裝置會持續運作。

英國發明家康格里夫爵士(圖片來源:wiki)
英國發明家康格里夫爵士(圖片來源:wiki)

  靠一塊海綿就可以產生無盡的動力,這種設計當然是異想天開了。那麼,康格里夫爵士的錯誤在哪裡呢?

  原來,毛細現象絕非上帝的施捨,或者宇宙系統的bug。水進入毛細管中,水和玻璃的界面增加,玻璃和空氣界面減小,前後的表面張力不同,釋放了一部分表面能,轉化成管中水的勢能。所以,水在毛細管中的上升,提升的勢能實際上來自表面能的變化。

  表面能其實在生活中無處不在,比如水面能放置回形針、硬幣,水蜘蛛可在水的表面漂浮行走等。

水蜘蛛為何能在水面行走?(圖片來源:google)
水蜘蛛為何能在水面行走?(圖片來源:google)

  再比如麵粉爆炸,這是一件讓很多人莫名其妙的事情。麵粉,這可是用火也很難點著的東西啊!

  我們先從製作麵粉說起,粉碎機把小麥加工成很細很細的麵粉,在這個過程中,粉碎機消耗了電能對小麥做功,一部分能量轉化成麵粉的表面總能量,被粉碎的程度越大,顆粒越小,表面積越大,那麼總表面能也就越大。我們把麵粉揚在空氣里,看似烏煙瘴氣,實則高能危險。當每立方米空氣中含有超過9.7g麵粉時,被空氣均勻分散後,比表面能很高的麵粉由於與空氣接觸更充分,麵粉和空氣這個系統總的化學勢能增加,更容易達到活化狀態,一旦遇到火星,甚至只要環境達到適當的溫度,就會瞬間燃燒並形成猛烈的爆炸。因此,當我們理解了從加工麵粉開始的能量變化,就不會對麵粉爆炸這種現象產生懷疑。

  回過頭來,雖然康格里夫爵士犯了錯誤,但那是因為當時人們還沒有深入瞭解表面能,他的努力加深了人類對錶面能的理解,所以仍然是有意義的。

麵粉廠發生爆炸(圖片來源:wiki)
麵粉廠發生爆炸(圖片來源:wiki)

  與之類似的還有克魯克斯的光能輻射計,在一個局部真空管里放置一組金屬葉片,所有葉片一側是拋光或白色的,另一側是黑色的。當用光照射時,葉片竟然會自發轉動,因此,這個裝置也被稱為“太陽風車”。

(圖片來源:wiki)
(圖片來源:wiki)

  克魯克斯的這個神器被製造出來以後,一時間各種解釋紛紛來襲,引發了巨大的爭論,連大神麥克斯韋也參與其中。後來,真正被科學界接受的解釋是雷諾斯於1879年作出的,恰逢這一年麥克斯韋去世,而麥神又曾批評過雷諾斯的這一解釋,因此雷諾斯的論文未能及時發表,理由是:“麥神剛一去世,就發表你的論文,不太好吧?”這反而讓“太陽風車”增加了一層神秘色彩。直到現在,作為激發孩子好奇心的玩具,很多學校和博物館里仍然展示著“太陽風車”。我們雖然知道這絕不是傳說中的永動機,而是光能轉化成機械能,但有關其最準確最細節的解釋,非相關方向的物理學教授也很難給出。

  現在我們有了更好的方法,可以直接將光能轉化成電能,那就是光伏。

  再比如居里夫人提取出鐳元素後,一到夜間,她的板屋就成了一個精靈的世界,玻璃、紙張、甚至衣服都在閃閃發光。那是鐳一刻不停地釋放著光、熱以及那不可見的、含有巨大能量的射線。一時間,無數科學家開始質疑居里夫人的發現,因為這一發現與牢不可摧的能量守恒定律似乎相悖。

居里夫婦在實驗室觀察鐳(圖片來源:google)
居里夫婦在實驗室觀察鐳(圖片來源:google)

  1904年,美國著名作家馬克吐溫甚至寫了一部短篇小說《與撒旦的交易》,文中的撒旦身高一米八五,體重400千克,他通體由鐳構成,所以全身都發出綠色的冷光,放射性特質讓他渾身發熱,這熱量足以點得著雪茄。可見在當時,全世界都被鐳元素這神奇的能量所驚歎。

  現在我們知道,鐳的強大能量來自原子核反應的質量虧損,“居里夫人們”對於放射性現象的研究,帶領我們進入了原子能的時代,我們終於製造出了原子彈、氫彈等核子武器,並享受著核能帶來的便利。

人類通過對放射現象的理解,進入了原子能時代!(圖片來源:google)
人類通過對放射現象的理解,進入了原子能時代!(圖片來源:google)

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