能控制能量转换的妖怪,称它⼀句妖界永动机不过分吧?!

作者: 郝志峰,超模君

来源: 原点阅读

发布日期: 2022-10-25 12:16:35

文章探讨了热力学第二定律和熵的概念,以及英国物理学家麦克斯韦提出的假想妖——麦克斯韦妖,它能够控制分子运动,从而可能违背热力学第二定律,创造出永动机。然而,最终分析表明,麦克斯韦妖的操作仍需消耗能量,无法真正推翻热力学第二定律。

夏天,刚从冰箱⾥拿出的雪糕会很快地融化。冬天,热⽔袋装上热⽔可以把冰凉的⼿变暖。热量似乎只会从⾼温物体⾃动流向低温物体。那么,当⾼温物体不再是⾼温,低温物体不再是低温,两个物体的温度变得⼀样后,⼜会发⽣什么呢?⽐如说,⼩明刚打完篮球回来,满身⼤汗,渴得不⾏,倒了⼀杯0摄⽒度的冰⽔就要喝。这时候,他的妈妈突然出现,抬⼿就往冰⽔⾥倒了等量的100摄⽒度开⽔。

⼩明⼿⾥的⽔很快就热了起来,他的脸瞬间垮了下来,喝起来⼀点都不刺激。此时,原先的热⽔与冷⽔已经合⼆为⼀,恐怕就是摩⻄也⽆法将它们区分出来。如果把热⽔的每⼀个分⼦都叫作“快分⼦”,冷⽔的每⼀个分⼦都叫作“慢分⼦”,那么这杯⽔中,快慢分⼦是你中有我,我中有你,⼤家都是⼿拉⼿的好兄弟。

假如快慢分⼦是敌对的关系,这就相当于成功打⼊敌⼈内部,根本分不清敌我了。

知识点来了,像上⾯讲到的这种⾮常混乱、⾮常⽆序的状态,我们就可以说,熵值⾮常⼤。熵是热⼒学中表征物质系统状态的参量之⼀,其物理意义是体系混乱程度的度量。要是体系达到了最混乱、最⽆序的状态,那么熵值就最⼤。⼜是混乱,⼜是⽆序,这⼀听就不是什么好词。要是世界变得越来越混乱、越来越⽆序,这⽇⼦可就不好过了。所以,为了过上好⽇⼦,就得减熵。换句话说,它不是混乱、⽆序吗?那就让它变得规整、有序。

放到热⼒学上讲,就是不让热量从⾼温物体流向低温物体,这样熵值就减少了。

但问题也跟着产⽣了,⼀旦热量不流动,那还怎么做功?做功是能量由⼀种形式转化为另⼀种形式的过程。经典⼒学认为,当⼀个⼒作⽤在物体上,并使物体在⼒的⽅向上通过了⼀段距离时,⼒学中就说这个⼒对物体做了功。想想你家烧开⽔时,⽔蒸⽓顶着锅盖振动时的热闹场景。蒸汽机、内燃机、汽轮机也是利⽤这个原理⼯作的。为了解决这个问题,热量还是得流动。

但热量流动就必须是热的变冷吗?有些科学家偏偏就想让热的越来越热,冷的越来越冷。可热⼒学第⼆定律却说:“不可能!”就在⼤家都点赞认可时,英国物理学家⻨克斯⻙⼀拍桌⼦,⼤吼说:“你们错了!为了证明⾃⼰是对的,⻨克斯⻙假想存在⼀只法⼒⽆边的妖。这只妖主要负责看⼤⻔,神奇的是,只要它想,⼤⻔可以⽆处不在。

这好⽐说,我们把世界装在⼀间屋⼦⾥,⾥⾯快慢分⼦混居在⼀起,⼤家快快乐乐地⼀起玩耍,世界越来越混乱,越来越⽆序,熵值就会变得越来越⼤。就在这时,⻨克斯⻙妖⾃⼰在房间中央砌了⼀道墙,安了⼀扇⻔,只有打开⻔,左边的分⼦才能到右边,右边的分⼦才能到左边。

现在,⻨克斯⻙妖说了:“这个世界我是⽼⼤,都听我的,快分⼦只能留在左边,慢分⼦只能待在右边。分⼦们在强⼤的⻨克斯⻙妖⾯前,战战兢兢,只能乖乖听话。

右边的快分⼦⻜快地跑到⻔⼝,左边的慢分⼦慢吞吞⾛到⻔⼝,它们对着⻨克斯⻙妖说:“⽼⼤,我们听您的吩咐去对⾯。”⻨克斯⻙妖⼤眼⼀扫,谁是快分⼦、谁是慢分⼦,看得清清楚楚。如果有傻傻的快分⼦已经迈进了左边的空间,却因为太喜欢右边空间,后悔了,想要回去,那不好意思,⻨克斯⻙妖会毫不客⽓地关上⻔,并踢上⼀脚。

于是,世界就在⻨克斯⻙妖的控制下变得⾮常有序了,左边只有快分⼦,右边只有慢分⼦,熵值降到最低,温差升为最⼤,可⽤于做功的热量也达到了极致。这就是说,在⻨克斯⻙妖的帮助下,热量源源不断地从温度较低的物体中流向⾼温物体,要是⽤这个热量做功,那就相当于可以造出永动机!

当⻨克斯⻙把他的妖公之于众后,科学界再次震惊了,甚⾄有不少⼈出⾯⽀持⻨克斯⻙,还扬⾔说:“⻨克斯⻙妖把热⼒学第⼆定律推翻了!

”但是,打脸的很快就来了。因为,⻨克斯⻙妖的神⼒是从哪⾥来的呢?只要⻨克斯⻙妖在作祟,那么它操纵⼤⻔就会消耗能量,⽽它所消耗的这个能量,远远超过它获得的能量。这就是开⽀⼤于收⼊,⼊不敷出,赔本买卖啊!也就是说,⻨克斯⻙妖仍旧没有推翻热⼒学第⼆定律。于是,⻨克斯⻙妖就从王座上摔下来了。不过,虽然它落魄了,但它留给我们的传奇“妖⽣”将会⼀直流传下去。

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