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永动机

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上过高中物理的人都知道永动机是不可能造出来的,并且当被问及为什么永动机造不出来,多数都会答因为能量守恒,或曰有能量守恒定律在起作用。

听起来非常地天衣无缝和无懈可击,但在大一的力学课上被老师指出这是犯了严重的逻辑错误(GRE AW中的argument好像是称其曰logical fallacy)。

问题出在哪里?很简单,我们不妨再问深一层:为什么能量守恒?能量守恒定律是怎么来的?

这个问题的答案便是,人们从长期永动机的研制失败教训中,总结出了一条定律,叫做能量守恒定律。

此仅为印象中老师课堂上所言。为了考证,翻开大一的《力学》(杨维纮 著,中国科学技术大学出版社;觉得此书的前言和绪论非常值得一看,个人认为其对“科学”的态度比较中肯,而不像一些哲学书把“科学”、“客观真理”什么的吹得天花龙凤;虽然现在已经学物理学到大三,回过头来看此书,仍觉得有很多地方值得细细品味),其中写道:“……19世纪能量守恒定律的三个创始人之一——亥姆霍兹(1821-1894)当年却是用不可能有永动机来论证能量守恒定律的。他在《论自然力的相互作用》一文中写道:‘……鉴于前人试验的失败,人们……不再询问:我如何能够利用各种自然力之间已知和未知的关系来创造一种永恒的运动,而是问道:如果永恒的运动(指永动机)是不可能的,在各种自然力之间应该存在什么样的关系?’”
所以当问及为什么永动机造不出来,答案应该是因为人类作了几百年的尝试,始终没有造出来,所以我们只好承认造不出永动机。

细心的读者会发现上文的讨论忽略的一个问题:永动机的定义。这正是下文要讨论的。有些书简单把永动机定义为一种不消耗能量却可以源源不断对外做功的机器,然后就用能量守恒定律来否定它。记忆中高中的物理书就是这样。如果按这种定义,只要按照上文的理解,搞清楚永动机与能量守恒的逻辑关系,并不会产生什么大问题。只是如果光看这种书,就不知道还有一种永动机是遵守能量守恒定律的。大一上热学课,就把永动机分为两类:第一类永动机即为不消耗能量而可以不断对外做功的机器,此永动机被热力学第一定律,即能量守恒定律所否定;第二类永动机是一种能够从单一热源(例如地球大气、海洋)不断吸收热量而转化为有用功的机器,它遵守能量守恒定律,所吸收的热量等于对外做的功(不考虑耗散时),但此种永动机被热力学第二定律所否定。

其实永动机并不“永动”。纵使第一类永动机能造出来,我们确实不需要给它补充能源了,但零件总会老化,使用很长时间后还是要停下来,或维修,或丢弃。纵使第二类永动机能造出来,大气、海洋和大地的内能也是有限的,总有一天它们都被抽到绝对零度(这里忽略了热力学第三定律),第二类永动机也无用武之地了。

能够跑出一种遵守能量定律的永动机(第二类永动机),那是否还有第三类、第四类永动机呢?怎样界定永动机的范围呢?我认为,应该从人类的需求来看此问题。人类想做第一类永动机,是想人们可以不为其付出代价就能获得它的服务。想做第二类永动机,是想能轻易对其付出代价(大气、海洋所含热能之巨大和取之不竭使人们不惜此种代价)却能获得它大量的服务。人类进入资本主义社会后,这种机器的好处是显而易见的,哪个工业企业能拥有此种机器,其利润可想而知。既然遵守能量守恒的第二类永动机也列入永动机的范畴,而且永动机并不真正“永动”,那么我认为,任何低投入,高产出的机器都可以视为永动机。现在,煤、石油都是相对廉价和相对源源不绝的能源,所以工厂里烧煤烧石油的机器都可以视为永动机。按此界定,人类从没有停止对永动机的追求:原子能、太阳能都是比煤和石油更源源不绝的能源,借助这些人类可以制造核电站、太阳能电站这些更“永动”的永动机。研制了五十年尚未成功的受控核聚变,可能是比目前核电站更永动的永动机。

综上,“永动机不可能”不是什么支配自然界的基本规律,也不是什么客观真理,关键看你怎么定义永动机,还有要搞清楚永动机与能量的逻辑关系。

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最后修改:Wen 于 2005-08-21 21:45:26

发表于 2005-04-10 14:42:54

评论:Re: 永动机

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对原文的补充:以能量守恒作为“永动机不可能”的原因是可以的,但必要条件是用能量守恒作为基本假设。

注意:是基本假设而不是客观规律,也不是宇宙真理。


发表于 2005-04-22 18:58:51
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