一個(gè)很難看出破綻的永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

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發(fā)表于 2011-12-17 14:02:30 | 只看該作者 |只看大圖 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式

在《費(fèi)恩曼物理學(xué)講義第一卷》第46章中有一個(gè)嘗試違反熱力學(xué)第二定律的永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，乍一看貌似還真能實(shí)現(xiàn)

該裝置的模樣如上圖所示，主要用的是棘輪和掣爪。假設(shè)有一箱處在一定溫度的氣體，其中有一根帶葉片的轉(zhuǎn)軸。由于氣體分子不停的撞擊葉片，而且這種撞擊總是有微小的漲落，因此葉片會(huì)振動(dòng)、跳動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)然這些運(yùn)動(dòng)都是短暫的、無規(guī)則的。我們要做的事是在軸的另一端套上一個(gè)轉(zhuǎn)輪，使他只能沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是棘輪和掣爪。于是，當(dāng)軸試圖逆時(shí)針（從右往左看）跳動(dòng)時(shí)，他不能轉(zhuǎn)動(dòng)，而往相反方向跳動(dòng)時(shí)，他能轉(zhuǎn)動(dòng)。于是，總體來看，輪子將緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)，或許我們還能將一個(gè)綁在繩子上的臭蟲給提溜起來！這樣我們就制成了永動(dòng)機(jī)，他靠氣體運(yùn)動(dòng)的微小漲落而把氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能

直接用熱力學(xué)第二定律就可以否定這個(gè)裝置成功的可能性，但是如果不從力學(xué)以及熱力學(xué)的其他基本定律對(duì)該裝置予以反駁的話，就始終沒有說服力。那么，到底這套裝置哪里出了問題呢？為什么這樣的裝置不能達(dá)到他永動(dòng)機(jī)的目的？

我們必須更仔細(xì)的研究裝置的細(xì)節(jié)。這個(gè)裝置給人最初的印象是能做成永動(dòng)機(jī)，主要是因?yàn)榧?xì)節(jié)還沒有豐富到讓你看出破綻。我們對(duì)棘輪必須加以理想化，但是，總還得有個(gè)掣爪，而掣爪上又必須有一根彈簧。這一特征沒有在圖上畫出來，但卻是很本質(zhì)的特征。軸想要順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（從右往左看），為了把掣爪提高一個(gè)輪齒的高度，必須克服彈簧彈力做功，我們?cè)O(shè)這個(gè)能量為ε。系統(tǒng)憑借氣體無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的漲落可以積聚起足夠多的能量ε的幾率是e^-(ε/(kT))。但掣爪由于偶然原因而提高的幾率也正好是e^-(ε/(kT))。這兩個(gè)幾率是相等的，因此那個(gè)可憐的小臭蟲只會(huì)不停的上下晃動(dòng)而不會(huì)如原來想象的那樣一直上升。平常生活中我們是從來沒有考慮掣爪由于偶然原因而提高這一事實(shí)的，因?yàn)檫@個(gè)概率實(shí)在是小得我不忽略它都對(duì)不起它，我們主動(dòng)操縱棘輪時(shí)可以放心的讓他單方向轉(zhuǎn)而不出現(xiàn)意外。而現(xiàn)在棘輪的驅(qū)動(dòng)力也是一個(gè)小之又小的力，掣爪的偶然提升已經(jīng)和這件事發(fā)生的概率同數(shù)量級(jí)了。
如果想看對(duì)這個(gè)問題更加深入和詳細(xì)的分析，請(qǐng)看《費(fèi)恩曼物理學(xué)講義》。電驢上有三卷

設(shè)計(jì), 永動(dòng)機(jī)