第四类永动机为何不能实现

文化   2024-09-09 19:36   吉林  

在人类的历史长河中,研究并制造永动机,曾让无数的科学家、发明家和民间奇人痴迷。

永动机可分为多种:

第一类永动机是指不从外界接收任何能量,却可以永远地对外做功的装置。由于违反了能量守恒定律,因而不可能实现。

第二类永动机是指不消耗任何能源,只需吸收周围环境(海水或大气)的热量,并源源不断对外输出动力的装置。由于违反了热力学第二定律,因而也不可能实现。

爱因斯坦曾感慨:“经典热力学给我以十分深刻的印象,它是仅有的具有普遍意义的物理理论。我确信在其基本概念所适用的范围内,它是绝不会被推翻的。”

永动机并不是看是否永远在“动”,而是看是否可以源源不断地对外输出机械能。

1775年开始,法国科学院就已不再刊登关于永动机相关的论文,美国则是在1917年禁止颁发与此相关的专利。

海水在大气中的蒸发,是一个对外膨胀做功的过程,但是,由于这一过程与外界是在相同压力下进行,通过前面的热力学方程组可知,这部分功不能转化为对外输出的动力,因此,将其用于对外输出有用功也是不可行的。(此处暂将其称为第三类永动机,并解释了其不能实现的原理)。

那么问题来了:宇宙中的恒星与行星,无时无刻不在运动,地球公转的线速度约30km/s,地球赤道的自转线速度也有465m/s。由于地球质量大、转度快,如果能利用地球公转与自转的动能,并转化为可对外输出的动力,不比使用化石能源清洁很多吗?这不就可以彻底解决人类的能源问题了么?

这种利用地球自转或公转的动能转化为对外输出动力的机器,此处将其命名为“第四类永动机”。它既不违反能量守恒定律,也不违反热力学第二定律,原来的热力学方程组也没有解释,那么它为什么不能实现呢?

为了对这一问题进行解释,需要对原有的热力学方程组进行适当的补充。

实际上,工质的总能量除了热力学能U外,还应包括工质相对于参考系运动而具有的动能K。所以,在微元过程中,工质换热量δQ,除转化为工质的体积功δW外,还有一部分需转化为工质相对于参考系的宏观动能dK,剩余的部分才能转化为工质的热力学能dU

由于参考系(地球)通常也是在运动的,若定义工质相对于太阳的速度为c,动量为I=mc,动能为K=1/2mc2,地球参考系相对于太阳的速度为c0,则原热力学方程组经过拓展与调整,可表示为:

方程组中方程一为考虑工质动能K变化时,热力学第一定律的微分表达式。

方程二为考虑工质动能K变化时,工质㶲的微分表达式。此式表明,若参考系的温度为T0,压力为p0,速度为c0,则相对于参考系,影响工质㶲(可转化为对外输出机械能的部分)变化的因素包括:工质与参考系的温度差(TT0)、压力差(pp0)和速度差(cc0),而不仅仅是换热量δQ、体积功δW和动能dK的变化量。若对工质从Tpc状态经过可逆过程,积分至与环境状态T0p0c0相同,其值为工质相对于参考系可输出的最大机械能。

由于人类生活在地球上,虽然地球以很高的速度c0运转,但是,因为人类总是同地球以相同的速度同步运转,不管地球速度多高,地球与人类并不存在速度差,高速转动的地球并不能使地球上的物质产生动能㶲,进而不能让这部分能量转化为设备对外输出有用功的能力。所以,利用地球转动的动能转化为对外输出动力的“第四类永动机”是不可能实现的。



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物理是世界上至高无上的艺术。在这里,我会谈论这个世界中最基本的艺术:一种叫做物理学的艺术。这里有宇宙诞生、基本粒子与宇宙结构、天体塌缩到黑洞、黑洞蒸发的故事。我会从大爆炸说起,直到现在,到……未知的未来……以及谈论科学与我们的生活。
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