金仲輝

讀者“卡布奇諾”問(wèn)：“老師在講授熱學(xué)時(shí)，曾提及第二類永動(dòng)機(jī)，但我對(duì)它不太明白，能否解釋一下，”筆者試著簡(jiǎn)單地回答這個(gè)問(wèn)題，

在物理學(xué)發(fā)展史中，曾有人提出過(guò)兩類永動(dòng)機(jī)，即第一類永動(dòng)機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)，第一類永動(dòng)機(jī)指的是這樣一類的機(jī)器：該機(jī)器無(wú)需消耗能量就能對(duì)外界做功，這顯然是違背了能量的守恒和轉(zhuǎn)化定律的，所以，所有追求制造第一類永動(dòng)機(jī)的人均以失敗告終，如果說(shuō)提出第一類永動(dòng)機(jī)是異想天開(kāi)，那么提出第二類永動(dòng)機(jī)則是有些歷史原因的，

自從英國(guó)的瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)后，英國(guó)走上了工業(yè)發(fā)展的道路，但人們也為蒸汽機(jī)的低效率而苦惱。如何提高熱機(jī)（如蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等）的效率成為許多科學(xué)家和工程師的研究課題，其中就有人提出了研制第二類永動(dòng)機(jī)，即是否可能制造出這樣的熱機(jī)：它只需從高溫?zé)嵩次崃繉?duì)外做功，而不需要向低溫?zé)嵩捶艧?，也就是說(shuō)熱機(jī)從高溫?zé)嵩次〉臒崃咳坑脕?lái)對(duì)外做功，于是，熱機(jī)的效率可達(dá)到100%，這樣的熱機(jī)并不違背能量的守恒和轉(zhuǎn)化定律，這種設(shè)想無(wú)疑是非常誘人的，曾吸引著很多人去研制它，例如，美國(guó)的一位發(fā)明家設(shè)計(jì)出所謂的“零發(fā)動(dòng)機(jī)”。按他的設(shè)計(jì)，若選用易液化的氨為工作物質(zhì)，可在0℃時(shí)產(chǎn)生4個(gè)大氣壓的推力來(lái)驅(qū)動(dòng)活塞做功，當(dāng)時(shí)的美國(guó)海軍軍部非常支持這個(gè)設(shè)計(jì)，他們認(rèn)為美國(guó)海軍從此無(wú)需靠岸補(bǔ)充燃料，只要直接從海水中吸熱就行了，但是，所有第二類永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案的命運(yùn)和第一類永動(dòng)機(jī)的命運(yùn)是相同的，均以失敗告終。

法國(guó)工程師卡諾的研究工作證明了第二類永動(dòng)機(jī)是不存在的。他對(duì)各種熱機(jī)進(jìn)行了仔細(xì)的分析和研究，得出它們都具有兩個(gè)共同的特點(diǎn)：（1）都具有高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩?；?）工作物質(zhì)（例如蒸汽機(jī)的工作物質(zhì)是蒸汽）都是從高溫?zé)嵩次鼰?，向低溫?zé)嵩捶艧帷?duì)外做功，這兩個(gè)共同的特點(diǎn)說(shuō)明了，任何熱機(jī)從高溫?zé)嵩此〉臒崃?，部分用?lái)對(duì)外做功，部分必被低溫?zé)嵩次?，這就是說(shuō)，即使不考慮熱機(jī)在循環(huán)過(guò)程中由于摩擦和漏氣所造成的能量損失，熱機(jī)的效率也永遠(yuǎn)達(dá)不到100%。

由以上討論可看出，提高熱機(jī)效率的關(guān)鍵是降低被低溫?zé)嵩次〉臒崃?，?duì)于卡諾熱機(jī)（一種理想模型的熱機(jī)）來(lái)說(shuō)，提高高溫?zé)嵩吹臏囟群徒档偷蜏責(zé)嵩吹臏囟仁翘岣邿釞C(jī)效率的途徑，卡諾最終提出以他的名字命名的卡諾定律，該理論不僅指出了提高熱機(jī)效率的方向，同時(shí)也揭示出熱學(xué)現(xiàn)象中的一個(gè)基本原理，即功熱轉(zhuǎn)換過(guò)程的不可逆性。簡(jiǎn)而言之。就是功可以全部轉(zhuǎn)換成熱量（例如摩擦力所做的功可以全部轉(zhuǎn)化成熱量），而逆向的過(guò)程，即熱量全部轉(zhuǎn)化成功是不可能的。

卡諾定律為熱力學(xué)第二定律的建立奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)，熱力學(xué)第二定律（開(kāi)爾文提出）的一種表述為：?jiǎn)我粺嵩床豢赡苁刮盏臒崃客耆D(zhuǎn)化成有用的功而不產(chǎn)生其他影響。

責(zé)任編輯 程哲