文章当中，我们从“黄油猫悖论”引入，对第一类永动机以及第二类永动机进行了探讨，并看到以“亨内考魔轮”与“零发动机”为主的永动机尝试，最终都无一例外地以失败收场了。

具体内容可以翻看先前的文章：一只猫和一块面包的故事：为什么我们现在不可能造出永动机（1）

那么今天，我们便再次回归我们的主题：为什么到目前为止，我们是不可能会制造出永动机的。

要知道这个问题的答案，我们就必须去了解热力学第一定律与第二定律。

01热力学第一定律

热力学第一定律的正规表述是这样的：物体内能的增加量等于物体吸收的热量与对物体所做功的总和。

同样，热力学第一定律也可以用公式

来表达，等式左边是内能增量，Q是物体吸收的热量，W是外界对物体所做的功（可以为正，也可以为负）。

不过，我们也可以这么去理解这条定律：热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以通过做功的方式与其他能量互相转换，但在这个过程中，能量不会凭空产生或消失，也就是说，物体内能增加多少，系统内其他的能量就会减少多少，一点不多，一点不少。

看到这里，朋友们肯定已经发现了，这是能量守恒定律的表述。

是的，热力学第一定律和能量守恒定律，从本质上来说其实并没有多大的区别。

而能量守恒定律就太过家喻户晓了，稍微对科学有所认识的朋友都必定至少听过这样一个名字。况且，它离我们的生活也非常近，应用也不是一般的多。

比如，我们常在公路上看到各式各样的汽车，而汽车之所以能够运动，简单来说正是燃料的内能和汽车的动能进行转化的结果。

在了解了热力学第一定律，或者说能量守恒定律之后，我们就来看看为什么第一类永动机是造不出来的。

首先来回顾一下，第一类永动机是什么？

应该很多朋友都很清楚，第一类永动机是一种不需要额外补充能量，就能持续不断对外做功的仪器。

我们先指出，做功这样一个过程，实际上就对应于两种能量之间的转化过程，必然包括一种能量的减少，以及另一种能量的增加。

想想看，你的钱转化为了别人的钱，是不是一方钱变少了，另一方钱变多了？

而如果一个机器能够持续地对外做功，结合我们之前的论述，这就意味着它在持续不断地对外输出自己的能量，其本身的能量必然是会持续减少的，而且如果不及时给这样一个机器补充能量，那么它自己的能量早晚会被耗尽。

因为能量不可能凭空产生，只能在这样一个封闭系统中进行转化。

也就是说，要想一个机器能够持续不断地对外做功，就必须不断地给这样一个封闭系统补充能量，抱着“要想马儿跑，还想马儿不吃草”的理念是不可能让它长久运转的。

不过这里可能有朋友会问，那如果我能够想出办法用机器对外做的功拿去补充机器的能量亏损，这样不就可以让机器一直持续不断地运作下去了吗？

这也是行不通的。首先，这样做出的仪器并没有任何意义，只不过是一个观赏用玩具而已。

其次，如果这样一种操作可以成功，那么就意味着机器所减少的能量全部通过做功转化为了目标能量，也就是燃料的内能可以全部转化为了汽车的动能，否则即使再怎么设计，机器所亏损的能量都不可能由系统本身直接补充。

发动机四冲程示意图

但咱们看看热力学第一定律的公式表述，里面除了对应于做功的W以外，是不是还有一个对应于热量的Q特别惹眼？

是的，机器所减少的能量根本就不可能完全通过做功转换为我们想要的能量，还会有一定的能量以热量的形式损失掉。事实上，发动机气缸在排出废气的同时，灼热的废气也会带走了一部分燃料的内能。

而且，就算能够控制得住这部分的热量损失，你又能保证机器对外做的功全都是我们想要的吗？发动机在运转的过程中也会存在我们不想要的摩擦力做功的情况啊。

所以，哪怕仪器本身设计得多么精巧，第一类永动机也是无论如何都成功不了的。

02热力学第二定律

要讨论热力学第二定律，就不得不提一个叫萨迪·卡诺的人，以及他所设计的卡诺热机。

萨迪·卡诺（图源网络）

卡诺热机是理想情况下对外做功效率最高的热机，以卡诺循环为原理进行设计。

卡诺循环示意图（图源网络）

这样一个循环的具体原理暂且不用多去了解，只需要简单知道卡诺循环内部包含两个绝热，或者说没有热量传递的过程，以及两个等温过程，并且它的效率只和参与等温过程的一高一低两个热源的温度相关，就足够了。我们提它也只是为了引出热力学第二定律而已。

后来，克劳修斯与开尔文分别审查了卡诺的工作，提出了热力学第二定律的两种表述方式。

克劳修斯所提出的表述，或者说克劳修斯表述侧重于热量传递的方向性，指出热量不可能自发地从低温物体转移到高温物体而不引起其他变化。

换言之，你把两个温度不同的物体就那么紧紧地挨在一起，又不做什么额外干涉的话，热量一定是从温度高的物体转移到温度低的物体。

而另一种表述，开尔文表述则指出物体不可能从单一热源吸收热量，使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。

当然，这两种表述是完全等价的，涉及的理论推导就不多叙述了。

到了这一步，如果朋友们还记得第二类永动机的含义是什么，就应该能够发现：热力学第二定律的开尔文表述直接就把这样一种设计给完全否决了，甚至没有一点可以辩解的余地。

也就是说，第二类永动机实际上是违背热力学第二定律的，所以它才无法被制造出来。

03熵增原理

当然，比起热力学第二定律的两种文字表述，朋友们可能更熟悉它的数学表述，也就是我们常说的熵增原理。

要谈论熵增原理，我们首先要知道熵，和一个叫克劳修斯不等式的东西。

熵的话倒还好说，可以简单理解为和体系所具有的微观状态数有关的，用来描述系统混乱程度的物理量。熵越大，混乱程度越高，熵越小，混乱程度越低。

但克劳修斯不等式是什么呢？

克劳修斯不等式长这个样子：

，可以从卡诺循环出发推导得到，具体的推导过程这里不做展示

同时,我们也直接给出熵的热力学定义式：

。

这个定义乍一看好像和我们比较熟悉的玻尔兹曼公式

不太一样，但前者是热力学定义，后者是统计力学的定义，二者实际上是等价的。

在知道熵的热力学定义以及克劳修斯不等式之后，就可以通过一些数学推导得出这样的结论：经过一个绝热过程之后，系统的熵永远不会减少。

换言之，也就是随着时间的增加，系统的混乱程度就会不断增加，从有序走向无序。

看上去神乎其神，但究其本质，其实和热力学第二定律并没有什么差别。

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkzp/6417.html