大到宇宙天体小到微观粒子,都在不停运动,为什么不算永动机?

科学信仰 2024-10-21 14:44:08

世界上不存在永动机,但却存在永远处于运动之中的物体,只不过这些物体要么太大,要么太小,以至于我们无法察觉罢了。

大到宇宙天体,几十亿年如一日,自身不断转动的同时还会围绕更大级别的天体或天体系统运动;小到微观粒子,无时无刻不在一定范围内进行着无规则运动,而运动范围的大小以及运动频率的高低与物质自身的温度息息相关,温度越高的物质,微观粒子的运动范围越大、运动速度越快,比如高温气体,反之,温度越低的物质,微观粒子的运动范围就越小、速度就越慢,比如冰冷的石头。

既然这么多物质都在不停地运动,为什么又说世界上不存在永动机呢?

在回答这个问题之前,让我们先来思考另一个有趣的问题:在学校举办运动会的时候,老师让几个同学去买水,你在校门口的小卖部买了一箱水,搬了500米来到了看台下,此时小明从你的手里接过水,迈了十级台阶搬上了看台交给老师,结果老师只表扬了小明。这是为什么呢?先不要着急给出答案,后面你会有新的认识。

永动机的概念最早是由印度人想出来的,大概在公元1200年,这种想法被传到了欧洲。

一个名为亨内考的法国人听说了这种概念,觉得非常有趣,便开始动手制作永动机,关于亨内考制作的永动机,大部分人应该都比较熟悉了,就是下面这个样子。乍一看,这个东西似乎真能够实现永动,因为右侧下落的小球由于摆动的关系,距离转轮圆心较远,这就使得它们的力矩变大,从而带动整个转轮不停运动。可如果我们再仔细观察一下就会发现并非如此。

表面上看起来右侧的小球力矩大、左侧的小球力矩小,但正是因为左侧的小球力臂短,致使左侧小球的分布变多。

于是小球的密度弥补了力矩的差异,从而致使左右两边实现了平衡,所以这个装置真正运动起来后,很快便会达到平衡而停止运动。在亨内考之后还有很多人发明过永动机,但全都大同小异,终以失败收场。为什么无法造出永动机呢?后来出现的热力学第一定律给出了答案:能量具有守恒性,既不能凭空产生,也不会凭空消失。

热力学第一定律否定了永动机,于是人们开始研究第二代永动机,也就是从自然中汲取能量,再将这些能量转化为动能。

具有代表性的就是液氨发动机,该装置是安装在轮船上的,利用海水的热量将液氨气化推动机械运转,但汽化后的液氨因没有低温热源,所以无法重新液化,不能实现循环。为什么会这样呢?热力学第二定律给出了解释:不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。后来又出现了热力学第三定律:任何物质的熵在绝对零度时趋于一个定值,对于完整晶体,这个定值为零。至此,所有关于永动机的可能性被彻底否定了。

所以永动机到底是什么?

应该已经很明显了,永动机并不是永远可以运动的机器,而是永远能够对外做功的机器。宇宙天体也好,微观粒子的运动也好,它们都是需要吸收能量的,无法在没有任何外部因素参与的情况下运动并实现对外做功。显然,对于永动机来说,运动不是关键,做功才是。现在,关于前面那个运动会买水的问题,你应该也有答案了吧?前面搬水走了再远,也没有做功,小明将水搬上看台,在力的方向上发生了位移,所以小明做了功,功劳当然就是小明的。

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