永动机

百年百篇经典科普[电子书]

如果这种机器真能制成的话,那我们可以在海洋上设置一些巨大的工厂,利用海水里的热能,来进行各种不同的工作,譬如利用它来发电。于是世界各处就都可以利用这种由海水里的热能变成的电,海船也可以用这种电力来开动,用不着另带燃料,就可以到世界各处去航行。我们知道海洋面积占地球面积的四分之三,海洋最深的地方比世界上最高的高山珠穆朗玛峰的高度还深。所以单就海水里的热能来说,已经可以说是取之不尽用之不竭的了。用这些热能来做功的机器,也用不着我们花费什么本钱,就会做出无穷无尽的功来。所以这类机器也可以叫“永动机”,这就是所谓“第二种永动机”。

但是说出来扫兴得很,这一类永动机也是注定制不出来的,因为它虽然跟热力学第一定律没有什么违背,却跟热力学第二定律相违背。

那么热力学第二定律到底说些什么呢?

原来我们人类所利用的自然界动力来源当中,最主要的一种,就是热能,蒸汽机、内燃机等都是利用热能的。从经验知道,我们无法把所有燃料里所含的热量全部都转化成有用的功。目前蒸汽机的效率只有百分之十五的样子,就是只有百分之十五的热能能转化成有用的功。内燃机的效率略高一些。这种效率的提高有一定的限度,就是说我们是不能利用全部热能的。热力学第二定律就从理论上说明我们为什么不能利用全部热能的道理。它告诉我们要从温度比较高的物体里取出热量来做有用的功,一定要有一个温度比较低的物体(就是比较冷的物体)放在它附近才行。

这也是一条由无数次实践证明了的客观规律。譬如我们在蒸汽机里应用蒸汽来做功,这功是从蒸汽里取出来的热能转化来的。但是只有蒸汽还不能做功,一定要外界的温度比蒸汽低,热能才能取出来利用。假如外界的温度和蒸汽一样,蒸汽机就不可能转动。这也是容易理解的,因为蒸汽和外界的温度既然一样,那就不可能发生热胀冷缩现象,因而也就不能推动活塞来做功了。

有了热源,有了比较冷的物体,才可能利用热源里的热能来做功。但是还不能把热源里所有的热能全部取出来做功,而是有一定的限度的。原来能够取出的热能,是跟高低两个温度的差有关的。温度差得大,能取出的热能就多;温度差很小,能利用的热能就少。这就是前面讲的蒸汽机效率为什么只有百分之十五的道理。所以提高蒸汽的温度,就可以提高蒸汽机的效率。现在的蒸汽机用的都是高压蒸汽,温度都比普通气压下水的沸点(摄氏100度)高得多,就是因为这个缘故。理论上说,假如减低周围空气的温度,也能提高蒸汽机的效率;但是实际上这样做太困难,结果会是得不偿失的。

现在来看看我们前面设想的利用海水热能的工厂。如果海水的温度各部分都一样,海面上空气的温度也一样,那我们要想制造什么机器来利用这些热能,是决不可能的。

不过,话又说回来,利用海水热能的可能性实际上倒是确实存在的,因为海水的温度并不是到处一样的。比方说,直接受到太阳照射的海面的水,比深海的水温度要高,有时候可以相差摄氏20度。有一个物理学家就在非洲的象牙海岸附近设计了两座能发3000千瓦电力的发电站,就是利用海水温度差来取得热能做功的。当然这种设计是相当困难的:因为两方面温度差不大,因而效率不可能高;同时冷水是在海底,要利用它,技术上也有困难。不过这些都不是原则性的障碍,科学的发展一定会克服这些困难的。

像这样的设计,是并不属于第二种永动机之内的。因为它既不违背热力学第一定律,也不违背热力学第二定律,而是符合客观实际的。

至于真正的永动机,不论第一种或是第二种,都是不可能发明的。

关于能不能发明永动机的讨论,到这里可以算是结束了,而且得出了肯定的结论。

(摘自《有永动机吗?》,1956年)

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