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人类与“永动机”千年恩仇:存正在“特别”的

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  波义尔不光折腾永动机,还是热力学的开创者之一,他利用格里克发明的真空泵研究出了波义尔定律(高中物理都要考的)。在这个背景下,蒸汽机应运而生,在瓦特大幅提升了蒸汽机效率之后,工业革命正式来袭。科学技术促进生产的发展,反过来工业效率的提升又极大地加深人们对科学原理的认知。一大批科学家投身热力学,在他们的研究过程中,人类接触到了宇宙终极奥义。

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  1842年,德国物理学家迈耶提出:在恒压过程中,用来产生膨胀的热量与功之间普遍可互换。

  1850年,克劳修斯在此基础上给出了一个更加明确的说法:在所有热机做功的情况下,所消耗的热量与所做的功成正比;反过来,等量的功产生等量的热。这就是热力学第一定律,也就是能量守恒定律。

  这时候人们终于发现,任何一个封闭体系的能量都是一定的,只是从一种形式转化成另一种形式。比如你抬起一个乒乓球,然后放手让它落下,球的势能转化为动能,速度越来越快,直到弹到地上,动能转化成空气振动的机械能,这就是乒乒乓乓的声音,除此之外,还将地面和自己也加热了那么一点点。

  而如果你要想跟造物主耍点小聪明,想要通过精巧的设计来创造出额外的能量,上帝会给你出示警示牌:“对不起,你没有权限!”而如果想要偷取上帝的一点点能量,那更是痴人说梦了!

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  尽管人们在自然界探寻到了一些有趣的现象,发现了看似“额外”的能量,并想办法去利用它们。但最终仍然是失败了,因为能量守恒定律无处不在。当然先人的工作仍然很有意义,因为他们扩大了我们的认知范围。

  1827年,英国发明家康格里夫爵士观察到毛细现象,水在特别细的管子里竟然会自动上升,这能量是从哪里来的呢?他就此脑洞大开,设计出一套装置,用滑轮带动一个斜面,从顶部到底部,贴附了一整圈的海绵,康格里夫相信,由于海绵的毛细作用,他的装置会持续运作。

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  靠一块海绵就可以产生无尽的动力,这种设计当然是异想天开了。那么,康格里夫爵士的错误在哪里呢?

  原来,毛细现象绝非上帝的施舍,或者宇宙系统的bug。水进入毛细管中,水和玻璃的界面增加,玻璃和空气界面减小,前后的表面张力不同,释放了一部分表面能,转化成管中水的势能。所以,水在毛细管中的上升,提升的势能实际上来自表面能的变化。

  表面能其实在生活中无处不在,比如水面能放置回形针、硬币,水蜘蛛可在水的表面漂浮行走等。

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  再比如面粉爆炸,这是一件让很多人莫名其妙的事情。面粉,这可是用火也很难点着的东西啊!

  我们先从制作面粉说起,粉碎机把小麦加工成很细很细的面粉,在这个过程中,粉碎机消耗了电能对小麦做功,一部分能量转化成面粉的表面总能量,被粉碎的程度越大,颗粒越小,表面积越大,那么总表面能也就越大。我们把面粉扬在空气里,看似乌烟瘴气,实则高能危险。当每立方米空气中含有超过9.7g面粉时,被空气均匀分散后,比表面能很高的面粉由于与空气接触更充分,面粉和空气这个系统总的化学势能增加,更容易达到活化状态,一旦遇到火星,甚至只要环境达到适当的温度,就会瞬间燃烧并形成猛烈的爆炸。因此,当我们理解了从加工面粉开始的能量变化,就不会对面粉爆炸这种现象产生怀疑。

  回过头来,虽然康格里夫爵士犯了错误,但那是因为当时人们还没有深入了解表面能,他的努力加深了人类对表面能的理解,所以仍然是有意义的。

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  与之类似的还有克鲁克斯的光能辐射计,在一个局部真空管里放置一组金属叶片,所有叶片一侧是抛光或白色的,另一侧是黑色的。当用光照射时,叶片竟然会自发转动,因此,这个装置也被称为“太阳风车”。

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  克鲁克斯的这个神器被制造出来以后,一时间各种解释纷纷来袭,引发了巨大的争论,连大神麦克斯韦也参与其中。后来,真正被科学界接受的解释是雷诺斯于1879年作出的,恰逢这一年麦克斯韦去世,而麦神又曾批评过雷诺斯的这一解释,因此雷诺斯的论文未能及时发表,理由是:“麦神刚一去世,就发表你的论文,不太好吧?”这反而让“太阳风车”增加了一层神秘色彩。直到现在,作为激发孩子好奇心的玩具,很多学校和博物馆里仍然展示着“太阳风车”。我们虽然知道这绝不是传说中的永动机,而是光能转化成机械能,但有关其最准确最细节的解释,非相关方向的物理学教授也很难给出。

  再比如居里夫人提取出镭元素后,一到夜间,她的板屋就成了一个精灵的世界,玻璃、纸张、甚至衣服都在闪闪发光。那是镭一刻不停地释放着光、热以及那不可见的、含有巨大能量的射线。一时间,无数科学家开始质疑居里夫人的发现,因为这一发现与牢不可摧的能量守恒定律似乎相悖。

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  1904年,美国著名作家马克吐温甚至写了一部短篇小说《与撒旦的交易》,文中的撒旦身高一米八五,体重400千克,他通体由镭构成,所以全身都发出绿色的冷光,放射性特质让他浑身发热,这热量足以点得着雪茄。可见在当时,全世界都被镭元素这神奇的能量所惊叹。

  现在我们知道,镭的强大能量来自原子核反应的质量亏损,“居里夫人们”对于放射性现象的研究,带领我们进入了原子能的时代,我们终于制造出了、氢弹等核子武器,并享受着核能带来的便利。

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