什么是第一類、第二類、第三類永動機

物理學中的壞想法有很多，但其中有一個持續(xù)得最久：永動機。沒有任何可行的永動機被實驗驗證過，它們都打破了熱力學定律。事實上，我們根據(jù)它們打破的熱力學定律對它們進行分類。第一類永動機違反了能量守恒定律，它們輸出的能量超過了它們運行所需的能量。然后是第二類永動機，它們的錯誤更加微妙，因為它們違反了熱力學第二定律，通過反轉(zhuǎn)熵來提取能量。

第一類和第二類永動機

設計永動機有著非常悠久的歷史，從中世紀一直到文藝復興時期。第一個有據(jù)可查的永動機設計是在12世紀，輪子嵌有水銀管，當輪子轉(zhuǎn)動時，水銀管會來回流動。其他類型的超平衡輪一直延續(xù)到文藝復興時期，并按照相同的原理工作。還有一些設計使用了磁鐵，例如在一個坡道中，一個球被磁鐵拉到頂部，然后從一個洞中落下并再次滾到底部，這個過程循環(huán)重復。

這些機器都沒有真正起作用，在每種情況下，我們都可以找到設計者忽略的一些微妙的物理特性。超平衡輪在一側(cè)向外推動質(zhì)量，但同時增加了這些質(zhì)量之間的間隔，因此轉(zhuǎn)動慣量不變。一塊足夠強的磁鐵將球拉上斜坡也可以防止它從那個洞里掉下來。

不過在當時，能量守恒定律還沒有被發(fā)現(xiàn)。因此，第一類永動機的想法在當時是非常流行的，他們認為可以產(chǎn)生比他們使用的更多的能量。但是，18世紀熱力學第一定律的發(fā)現(xiàn)證明了第一類永動機的不可行性，但這并沒有結束這股熱潮。發(fā)明者繼續(xù)探索遵循能量守恒的永動機，而這打破了熱力學第二定律。

熱力學第二定律指出，熵會隨著時間的推移而增加。換句話說，能量將傾向于盡可能均勻地分散自身，達到最大熵的狀態(tài)。所有機器都在重新分配自身時利用這種能量流來工作。第二類永動機聲稱能夠利用已經(jīng)均勻分布的能量庫，有效地逆轉(zhuǎn)熵的增長。

第三類永動機

沒有能量梯度或溫度梯度，就無法提取能量。事實上，基于溫度差異可以提取的能量是有絕對極限的，這個極限是由最重要的永動機系統(tǒng)所定義的：卡諾循環(huán)。

在19世紀初，薩迪·卡諾描述了最高效的熱機，它是活塞腔內(nèi)氣體的一系列膨脹和收縮，當熱量在不同溫度的儲層之間流動時，它將提供最大可能的能量。至關重要的是，卡諾循環(huán)是可逆的，以完全相同的能量反向驅(qū)動活塞，它將能量從冷傳遞到熱。原則上，卡諾熱機可以從溫度梯度中提取能量，然后再次將其泵回，使其成為候選永動機。

但即使在這種最理想的情況下，能量輸入與能量輸出的比率也完全一致，沒有額外的能量被提取。卡諾循環(huán)原則上是一個永動機過程，但不會違反任何熱力學定律，所以它不是第一類或第二類永動機。事實上，它有時候被稱為是第三類永動機。

這類永動機不會試圖產(chǎn)生能量，它們只是讓自己永遠運行。畢竟，牛頓告訴我們，運動中的物體往往會保持運動，除非受到外力的作用。所以消除所有外力，消除任何形式的能量損失，當然任何機器都可以永遠運行。事實上，從純粹的經(jīng)典原理來看，有些理想的系統(tǒng)可以永遠運行，就像一個完美的卡諾熱機，或者一個圍繞恒星運行的行星。

行不通

但事實上，消除任何能量損失不僅僅是一個工程挑戰(zhàn)，從理論上也是不可能的，因為它被量子力學所禁止。

由于所有粒子的內(nèi)在量子隨機性，正如海森堡測不準原理所表達的那樣，一切都在運動。內(nèi)部零件總是振動，產(chǎn)生一些摩擦和內(nèi)部熱量。即使重新捕獲熱量，即使是隔離的系統(tǒng)的外壁也必須輻射，緩慢泄漏能量。當然還有引力輻射，它會慢慢削弱天體系統(tǒng)的“永動機”。

對于第三種永動機來說，最好的情況是非常緩慢地減速到靜止。

編輯：黃飛

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