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导读

热力学第一定律出炉之后，确实打消了一大部分人对于永动机的奢望，但还有一部分科学家指出，如果能设计出一种装置，从海洋、大气甚至宇宙中吸取热能，并将这些热能转化为驱动机械的动力，岂不是既不违反能量守恒定律，也能得到无尽的能源吗？这种机械被称为第二类永动机。

热力学第二定律诞生以后，已经被各种实验和现象证明是宇宙最最普适的物理定律。爱丁顿曾对此高度评价：“热力学第二定律是自然界所有定律中至高无上的……如果你发现你的理论违背了热力学第二定律，我就敢说你没指望了，你的理论只有丢脸、垮台！”

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热力学第一定律出炉之后，确实打消了一大部分人对于永动机的奢望，但还有一部分科学家指出，虽然能量守恒，但宇宙终归浩渺，地球毕竟广阔，留给我们的能量空间还很大呢。如果能设计出一种装置，从海洋、大气甚至宇宙中吸取热能，并将这些热能转化为驱动机械的动力，岂不是既不违反能量守恒定律，也可以得到无尽的能源吗？

这种机械被称为第二类永动机，而之前各种违背热力学第一定律的机械被称为第一类永动机。

比如有人认为，海洋如此辽阔，我们可以利用海洋的热能，让热的海水进入机器，通过精巧的设计，排出冷水，其中的热能不就可以用来给我们做功吗？如下图：

美国人19世纪设想的船舶，吸进温暖的海水，排出寒冷的冰块，想法很好…（图片来源：youtube）

这个想法太完美了！

我们身边就有很多空气啊，它们中不也蕴藏着巨大的能量吗？按照这个道理，把空调反过来开，能源不就源源不断了吗？

你可能要说：“不用学习什么定律、理论，按照我多年的生活经验，我就知道不插电让空调自己开，这是不可能的！”

不插电，空调能自动运转吗？（图片来源：google）

是啊，我们都看习惯了，热量从热的地方转移到冷的地方，从而让物质的温度更加均匀。而要让热量反过来走，就必须依赖空调、冰箱，但谁看过空调、冰箱不插电就能工作呢？

冰箱和空调的核心部件：压缩机（图片来源：google）

制造空调前，

首先你需要知道热力学第二定律

确实如此，空调的原理来自卡诺对于热机的研究，卡诺一开始倒不是为了造空调、冰箱，而是为了提升热机的效率，也就是如何将高温热源里的热量提取出来，对外做功。

穷尽自己的智慧之后，卡诺发现，要将高温TH处的热量QH提出来做功W，必须还要传递一些热量QC到低温TC处。我们只能得到输出功W=QH-QC，而无法得到所有的QH。而因为QH和QC分别正比于TH和TC，因此热机效率k=W/ QH=TH-TC/TH，这肯定是小于1的。

于是，卡诺终于为终极宇宙奥秘所折服，总结出了卡诺原理：准静态卡诺循环和可逆卡诺循环的效率只取决于两个热源的温度，而且无论工作物质是什么，它们的效率是相同的。这样操作的卡诺热机是利用这两种温度最有效的热机。

卡诺热机原理图示：热量QH要想做功（W），必须从高温区域（TH）传递到低温区域（TC），其中会损失热量QC（图片来源：wiki）

以上内容看不懂也没关系，简单来说就是，我们无法利用所有的热量而将热机效率提升到100%。反过来，要将热量从冷的地方提出来送到热的地方去，那就必须“付费”，即消耗额外的能量。如下图，这就是空调、冰箱的原理，也就是一个“反热机”，将热量从低温区域（室内）移到室外，则必须要输入功W（插电），才能将热量QH移到高温处（室外）。

空调就是一种“反热机”，用热泵（Heat pump）将热量从冷源（Cold reservoir at Tc）提取出来送给热源（Hot reservoir at Th），必须输入额外的功（W）（图片来源：wiki）

卡诺原理算是热力学第二定律的雏形，要知道，卡诺提出卡诺原理是在1824年，这还在热力学第一定律之前很多年。很可惜的是，卡诺英年早逝，一直到1850年，克劳修斯才在卡诺的基础上，提出了比较完整的热二定律的表述：

热不可能从一个较冷的物体传递到一个较热的物体而不发生与此相关的其他变化。

克劳修斯两句话说完热力学两大定律（图片来源：wiki）

再后来，开尔文也有一个表述：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。

这个说法等效于：第二类永动机不可能实现。

开尔文（图片来源：wiki）

能量的“搬运”总是充满“坎坷”

原来，我们身处一个充满“摩擦”和“坎坷”的世界。只要你想将能量从这里搬运到那里，就必须被消耗掉一部分。比如我们开车，就有一部分的汽油需要消耗在地面和轮子的摩擦力上。

而当我们打开发动机，仔细研究其中的机械，会发现尽管存在很多机油润滑，还是会有很多地方有磕碰和摩擦。当它运转起来以后，你会发现，这发动机可不光会把气体加热，也会加热气缸，当尾气排出，工程师也真的想对着尾气大喊一声：“停！留下买路钱！”让这些高温的气体把热量留下来，而自动变凉出去，虽然这不过是缥缈的幻想。

因此，一台汽油发动机的机械效率只有25-50%，也就是说，我们油钱的一半以上都被浪费了。

设计如此精巧的汽车发动机，机械效率却如此之低？（图片来源：google）

其实影响机械效率的因素可不止上面两条，再比如气体的不完全燃烧。现实中的气体当然不是理想气体，分子与分子之间存在微小的范德华力，这些微小的吸附力导致气体难以充分混合，有时候需要“排排队”才能发生化学反应，因而最终不能完全燃烧。所以我们的汽车尾气里总会有一氧化碳、一氧化氮等毒性物质，更因此我们的发动机总会遭受积碳困扰。

小伙子，要不要加瓶燃油宝？（图片来源：google）

说起化学反应，有人会说：“硕大的机械过于笨重，我喜欢柔软的化学之美。构造一个化学可逆反应，比如氢燃料电池，先将水电解成氢气和氧气，再让氢气在电池里“燃烧”，氢燃料电池贡献的能量不正好等于电解水的能耗吗？”

一种燃料电池示意图（图片来源：google）

理论上似乎很美丽，但这位同学忘记了一个“活化能”的概念。将氢气和氧气混合在一起，在常温下它们也不会燃烧，必须有明火、火花等提供活化能，它们才会发生激烈的化学反应。

更何况，各种电池也难以避免热量的损耗，氢燃料电池的能量转换率最多也只能达到80%。

活化能（EA）示意图，虽然从反应物（reactants）到产物（products）之间的吉布斯自由能变（△ G）小于零，反应理论上完全可以发生，但还必须克服活化能（EA）才能发生反应。（图片来源：wiki）

说到电，这似乎是一条最好的能量传递方式。但是传递电的介质也会有电阻，这是电流遇到的“摩擦”。

当然现在人类已经发现了“超导体”，这是后话。

电阻的示意图（图片来源：google）

这时候又有小伙伴有话要说：“我能找到一个没有‘摩擦’的地方，那就是太空。”

是啊，太空比人工制造的任何真空都还要“空”，这也是最好的验证“牛顿第一定律”的地方：如果没有摩擦力，物体将保持原来的运行状态。然而我们知道，有温度的物体都会自发地产生热辐射，如果一个宇航员不慎坠入太空，经过足够长的时间，他的肉身会辐射殆尽，变成虚无的粒子。

坠入太空的宇航员最终会变成什么？（图片来源：google）

这就是热力学第二定律告诉我们的：热