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“以其人之道还治其人之身”——突破热力学第二定律的禁锢

已有 2091 次阅读 2015-2-3 21:24 |系统分类:科研笔记

  在能源急速趋于紧张的今天,对于能够成其为源的所有那些能量形式越来越受到了大家的关注。在我们试图寻找新型能源的同时,我们是否应该问一下,能被我们称之为能源的,究竟是物质世界的一种什么样的基本共性呢?抓住了这个基本特征,对于引导我们制造出“热机效率”极高的动力机是极有必要的。

  从热力学原理的思考点出发,不难发现,任何一种可以被我们称之为“能源”的物质状态变化方式,其实都对应着热力学中过程的一种自发性。自发性正是被我们利用当物质能量状态改变中而获取能量的基本依据。一个不具自发性的过程,是不能用来作为能量获取方式的。在这里我们必须强调一种这个词汇在的数量上的单一性!因为我们不可能在自然界中、在一个单一的能源载体(如汽油、水等)中、在同样的获取能量的工作条件下,找到具有两种或两种以上同时并存的自发性过程。迄今为止我们使用能源的模式都紧紧受限于自发性的单一性而无一例外。如果我们发现在某种对象物上确实具有两种以上的自发性的状态转化方式,那么我们必定会判断它们是两种不同的物质状态变化过程,我们能从其中获取能量的方式也必定是极为不同的两种方式(技术手段)。例如,河水的自由下落是一种具有自发性的变化过程,而水的蒸发又是另一种自发性过程。我们要想直接利用这两种自发性来获得所需的能量的话,只能是采用两种不同的技术手段。任何自然过程自发性的单一性是被热力学第二定律限定了的,是时间箭头单向性的同义语。一种自发性同时又具有单一性就像波粒二象性一样不可被分割。

  我们知道,仅在能量守恒(热力学第一定律)的概念范畴内,自发性和它的单一性是不必被同时限定的,因此也就误导了人们发明永动机的冲动。因为一个永动机应该具有两个基本的特征:一是它的获能介质能够在由A态变向B态的过程中向外界输出能量;二是可以以较低的能量甚至不用由外界提供能量就能自动由B态恢复成A态。可惜,始终并存的自发性和它的单一性彻底关闭了人们制造出永动机的大门。

  自发性决定了人们可以利用它来获得能量,单一性又决定了这种能量获得是以不可逆转(热力学意义上的逆转,而不是一般力学意义上的逆转)为代价的。因此,我们只要发现某种状态变化具有自发性,我们就可以判断:利用它就有可能获得我们需要的能量;但由于自发性的单一性特点,要想使其成其为源,就必然会存在不可逆转性带来的消耗。

  人类科学的进步,使得人类可以主动地制造可称之为动力机的机器了。这种人造的东西可以使得人类更好地利用某种自发性并以连续运行的方式不断给我们提供源源不断的能量。但迄今为止,我们不难发现,所有这些动力机几乎无一例外的仍然是只能利用一种自发性的机器!在此我们不禁要问,既然我们无法直接突破热力学第二定律强加给我们的这种限制,那么我们是否干脆放弃努力了数个世纪而未果的直接突破热力学第二定律的尝试、转而积极利用热力学第二定律来突破热力学第二定律的限制呢?

  作上面这种思考,显然前面列举的河水的例子是可以给我们一些有意思的启发的。我们为何可以源源不断地从自由下落的河水提取出能量?结论很简单,因为河水可以通过蒸发自动的返回到我们希望的初始状态(回到水库中)!结果我们恍然大悟,如果我们能通过人为的技术性手段,将两种自发性过程首尾相接起来,形成一个循环的话,就有可能造成效率极高的动力机!这种思考将改变过去的一切热机的结构原理-具有非自发性的回程。

  为何人类目前的所有的动力机效率不可能高?原来它们都是仅利用了一种自发性的机器。动力机本身要求的回复到初始态是我们通过非自发性的人为强迫技术手段来达成的。这种人为强迫显然是需要另外付出能量的。因此,这类动力机器的效率必定是大受限制的。无论是人们当今制造的发动机还是机关枪都是这种工作原理,使活塞回程和枪机自动上膛都是必定要消耗掉部分作为动力的能源物质的——有效功部分被打了折扣。“顺向自发,回程非自发”是当今任何动力机的共同特征。

  因此说,在能源的利用上人类至今仍然没有跳出自在的宿命。如果我们主动去寻找可以首尾相接的某种自发过程,并从技术上将两种(或两种以上)自发性连接成一体而形成新型的循环的动力机,就可以实现获能介质无论是从A态变化到B态还是从B态恢复到A态都是利用了自然属性上的自发性的(两个方向都不违反热力学第二定律,因此总体也当然不违反热力学第二定律)。建构了这种特点的循环的动力机就有可能使人类在使用自然资源上从自在的一族变成自为的一族。

  那么现在在实际中人类是否已经发现并造出了具有这种工作原理的动力机了呢?答案是肯定的。例如,采用热弹性马氏体制造的温差发电机,从原理上看其实就是这种将两种自发性连接了起来、并且构成了同方向运行的动力机,它是提取温差造成的热量流动这种自发性的动力机。动力元件在低温时向马氏体转变和高温时向奥氏体的转变都是具有自发性的,并且这两种不同的自发性都发生在同一个物体上。因此它成为了一个“类永动机”。虽然这种动力机由于受到传热学的限制,不可能大规模化和实用化,但从原理上却给了我们一个极好的思索方向的启示。

  最后,需要强调的一点是,即使我们找到了十分理想的可以首尾相接的自发过程,并依此造成了效率极高的动力机,这种动力机也不可能是真正意义上的永动机。因为任何实际中的材料在受到力的作用时都是必定会有热效应的产生的。即,任何以有形速度运行的实际过程都是或多或少存在着耗散的,都有不可避免的熵产生。因此构成它的那些构件在实际运行中也是会有耗散的不可逆过程——我们最终仍然无法逃脱热力学第二定律的束缚,我们的“自为”仍然是有限度的。只不过可以预期的是,这种多自发性合一的动力机的“热机效率”是可以十分高的。

  什么叫科学技术,科学技术不过是在发现了(不可能人为主观创造)客观存在着的那些自然规律的基础之上,主观能动地使得这些客观的自然规律合理地进行配置并运行,从而获取我们需要的运行结果的方法罢了。人们能创造的是方法,不可能是自然规律本身。这是科学区别于神学的基本之处。







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