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1.4.4永动之梦

 

基于物质永恒的运动和能量可以相互转换这一基本思路,人类从来没有放弃过对永动机的研究和探索。人们期望寻找一种可反复使用的、取之不尽用之不竭的持续能源模式。几百年来,有多少人不屈不挠地去研制,却均未取得可信的成果。无数次失败,除了留下遗憾,还产生了不少魔术道具和骗人的把戏。永动机之梦本应是科学的魅力与人类发展的需要,由于鱼龙混杂,似乎也成了是非之地。虽然有很多人认为永动机是人类科学史上最著名,同时也是持续时间最长的骗局。但直到今天,还是有人不断地痴迷其中。

永动机到底是一场白日梦还是真的有可能美梦成真,是必须从本质上去弄清楚的。为此我们从三个问题着手分析:一是“永动”的真实含义,二是单向能否创建梯度回路,三是保守力能否循环做功。

所谓“永动机”,是指不需要人为给系统整体补充能量而能够永远不断地输出能量的机器系统。因此“永动”并不仅仅是“动”,还要有恒定的能量输出。因为运动是物质的存在属性,是永恒的,分子就处在不断的运动之中;星球也处在不断的自转和公转之中;如果将单摆置于真空中,使其所受的阻力为零,它就能长久地摆下去。这些看起来都是“永动”的,但却不能称之为“永动机”。因为它们一旦对外做功,原来的运动状态就会削弱,并会很快地处于相对静止的状态。

神奇的饮水鸟玩具曾被人们误认为是一种永动机,其实它只是一种遵守热力学定律的典型热机,它之所以能不停地点头喝水,是因为利用了一些复杂的物理学原理。在它的内部装有乙醚,由于乙醚很容易挥发,会造成饮水鸟头尾的温度差异,能让玻璃管里的乙醚蒸汽的分布发生变化,从而改变饮水鸟的重心。而饮水鸟不断喝水,又会被水不断打湿头部,头部水分的蒸发吸收了周围空气的热量,再次产生温度差异,这就促使饮水鸟能够不停地活动。循环往复,直到盆中的水被鸟喝干后,头部不能再变湿,才不再低头喝水。

分子的布朗运动也曾被人们看作永恒的动力之源。为了打破分子运动的无序状态,可以设计一个分子级别的单向阀门(曾被称之为麦克斯韦妖),或直接使用生物半透膜,只让具有一定速度或性质的分子冲开阀门到达右边区域,而相反的过程则被阻止,最终无序被打破,因右边的分子平均速度要高,温差或浓度梯度形成,如下图:

这种以及类似于这种结构的设计实际上都是无效的,包括利用二极管的单向导电性和电子微观热涨落来制造的第四类永动机。因为当扩散到一定程度后便达到平衡,压强差将阻止粒子的单向移动,而且这种压强差也并不大,提供不了多大的功率输出。最关键的是它没有实用价值,即便是多个单元的组合,因损耗的同步增加,故净输出也无法商用。

对于持续的能量供给系统,有两种典型结构,一种为“电能结构”,它必须是一个有序的循环系统。在这个结构中,要有两个关键要素,一个是内“电源”,另一个是外“电势”,它们共同构成一个封闭的势能循环系统。“电源”利用外力将“能流”从低势能处搬运到高势能处,“电势”则将利用“能流”粒子自身的势能将“能流”从高势能处推向低势能处。原理结构如左图。

例如地球上的水力系统,其“电源”结构的负极是地表的水面,正极是天空的云层,外力是太阳辐射到地球的热量,它使地表水主要是海水蒸发上升,并进一步形成积雨云。雨滴在其重力势能的作用下降落于地面,江河就相当于引流的外电路,水流百川归海到达负极,又周而复始。但这个系统并不是“永动”系统,它消耗的是太阳等外界的能量,跟光电池一样,需要一个开放的体系。即使把整个太阳系看成一个孤立系统,它也不是永动的,因为太阳的能量终将耗尽。

另一种持续的能量结构是“风能结构”,它可以从平均无序的环境中产生能量。依靠“能流”粒子的动量传递,转变为转动机构的转动动能。这种结构的关键之点是在局域时空中有序,即在某一局部空间或时段中,存在“能流”的有序循环,从而推动叶轮,尽管整个环境中的“能流”可能是无序的。典型的应用是风车,可图示如右:

这里冲击叶轮旋转的“能流”排除了做布朗运动的分子,因为前面已经说明那是行不通的,但它可以通过适当的结构来吸收环境中局部的“浪涌”能流实现恒动,把无序的能量变成有序的能量,但这也不是永动机。因为“浪涌”能流不是布朗运动造成的,是直接或间接的局域温差促成的,而这种温差是需要有外界能量的输入的,斯林发动机的工作原理也与此类似,我们甚至可以用手心的热量就能让一台微型斯林发动机运转。温差电现象以及光电池也是如此。

我们还可以设计一个能够自发循环的水流装置,如左图。在封闭的环形管内装满水,一边用黑色的吸热材料包裹,一边用白色光滑的散热反光材料包裹,其它部位用绝热材料包裹。系统可以从外界吸收热量和向外界放出热量,从而使右边管内的水温变高而左边的变低,形成密度差而使水呈逆时针方向流动,因此可以推动小叶轮持续地旋转。整个系统是利用空气中的单一热源做功,看似违背了热力学第二定律,但由于使用了两处不同的包裹材料,打破了单一热源的对称状态,局部空气中出现温度梯度,进一步可形成微型的局部“大气环流”。

 

自然界中最基本的能量包括机械能、热能和电能。它们之间总在不断地相互转换。持续的能量供应系统必然是一个环状结构,在其中流淌的是动量流。这种大环流的形成必有外力的推动。大的环状结构又可以带动多个小型环状结构,这种体系如下图所示:

 

引力势能Ep=-GmM/r表明引力场是保守场,保守场的环路积分为零,故重力势能不能被循环利用,不具备能源的属性,无从输出能量,所有基于重力做功的永动机设计都是徒劳的。对于弹性势能Ep=kx2/2也是一样,它们的势能曲线都是开放的,无法闭合,没有旋度,但所有的热能都可以构造一个卡诺循环,它是封闭的,可以循环做功,但要消耗工质。它们三项的曲线如下图:

磁铁被充磁后,获得的能量值与充磁过程时间长短无关,与所消耗电能大小无关。磁铁内部磁畴几乎是在瞬间全部排列整齐,在没有强大的交变磁场或者高温作用下,这一状态将永远保持下去,其磁场也就永远存在,这里存在某种玄机。而磁场是有旋场非保守场,故它可能有故事。

自古到今,不断地有人研究着磁动机,由此还出现了不少骗局。磁动机能否成功是另一回事,但那些磁动机的设计缺陷是一个不得不先说的问题。简单地利用永磁体磁极之间的同极相斥作用实现永动,等于是利用势能做功,这跟重力做功一样,无论如何巧妙的设计,都注定是不能自动循环的,必须转换思维模式。

(此处省略若干内容。)

 


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