这是第二代永动机吗？

张学文2014.10.03注：下面的文稿是蒋健棠先生写的，他托我放在这里，欢迎大家提出看法。

文章关键词：热力学第二定律永动机

正文内容：

首先，感谢张老师帮忙通过他的博客让我能有机会在科学网跟大家交流和向大家学习。本人叫蒋健棠，过去几年都专注于热力学的理论研究，过去发表的论文都是关于热力学的，在最新的一篇论文《一种自发形成的非平衡有序结构及其可用性探索》中，我提出了有可能突破热力学第二定律的方法论和一个具体的可操作的验证方案。希望通过相互交流和探讨，实现共同进步。

在热力学第二定律确立的早期，人们对此定律充满质疑，此定律带来的悲观预期也让人难以接受。玻尔兹曼从统计角度出发，对熵增定律作出微观解释，但此定律在数理逻辑上的缺陷仍只能使其被定义为经验定律，目前仍没有自恰的理论能充分证明热二律是绝对普适的定律。

英国物理学家麦克斯韦层提出过被后人称为“麦克斯韦妖”的假说，由此带来的持久争论推动了热力学的发展，它成为了耗散结构的雏形。20世纪热力学的最大突破在于以耗散结构理论为代表的自组织理论的发展，让人们对各种有序现象有了更深入的了解，目前人们基本认同热二律具有普适性。从热二律可得，孤立系统必随时间而向平衡态过渡，微观粒子的热运动只能产生无序的微涨落，即使某瞬间在局部由分子热运动产生对平衡较大的偏离，随之而来的过程就是把这些偏离耗散掉，不可自发形成大幅度偏离平衡的有序结构，也不相信有动力学机制能把微观粒子的无序运动转化为宏观的有序运动。

我认为热二律是否绝对普适仍有待证实，而要突破热二律的限制起码具备以下两个条件。首先就是必须有源于微观粒子热运动产生对平衡的偏离，因为非平衡是系统演化的推动力；另一必备条件就是能截取并利用上述“非平衡”的动力学机制。实际系统都是存在由分子热运动产生对平衡的偏离，只不过这些涨落通常是微不足道和杂乱无章的。而说到构建一个能截获并加以利用这些涨落的机制，目前科学界的主流观点都认为是没有可能的。

既要有自发偏离平衡又要有能截获和利用非平衡的机制，其难度在于由分子热运动导致的涨落在时间上和空间上都是无序的，而且对平衡的偏离幅度也很小，针对这样的涨落构建截获和利用的机制实在太难了。由分子热运动产生的自发偏离平衡绝对是无序的吗？绝对是微涨落而已？不可能是偏离幅度很大而且又具有时间或空间上的序吗？我认为情况并非如此悲观。过去几年，我分析了多种系统的热力学特征，发现在汽液界面由分子热运动而在汽液两相之间的自发迁移会形成一种非平衡有序结构，此类结构偏离平衡的幅度相当大并具有空间上的序和势。进一步研究还发现，通过适当的动力学机制还能截获并利用分子自发偏离平衡作为推动力实现系统的持续演化。

我们知道，一种热力学力对应有一种热力学流，例如电压差导致电流、温度差导致热流、浓度差导致扩散流等等，而且自发过程中力和流的方向要一致。图（1）所示的是一汽液两相系统的相界面，即使此系统是孤立的，而且已到达汽液平衡，分子还是不停在运动的。不同时刻都有一定量的分子从液面逸出而成为自由气体分子，也有一定量的气体分子回落液面。由于液面层的分子在朝向外侧的键能没有得到补偿，由此存在表面势场。液面层的分子需要在朝向外侧具有足够的动能分量才能克服分子间的引力而逸出，逸出过程中分子的运动方向与受力方向相反，动能转化为势能。同理，气体分子在回落到液面的过程中是加速下落的，因为其运动方向跟受到的分子间引力一致，势能转化为动能。显然，在界面相中有两股由分子热运动导致的物质流，一种是顺势的，另一种则是逆势而上的，逆势而上的流会使系统偏离平衡，分子由此获得势能增益。也许大家会说，这已经是很熟悉的现象，还有新的东西可挖掘出来？当然有，除了上述两股流具有自发性外，在界面相中我们可找到某些很特别的特征，这些特征一般系统是不可能同时具备的。

图1汽液界面

首先，分子间力的作用能相当大，仅比化学键的键能小1~2个量级。以常温常压下的水为例，通过水的蒸发热计算可得，一个水分子从液面层逸出成为气体分子所需要的动能相当于0.5个电子伏，逸出后此分子获得等量的势能增益，此数值比微涨落大出多个量级。另外，图（1）所示的A点和B点分别在界面相的两侧，A点是液面层分子所在的位置，B点是刚逸出的分子所在的位置。在界面相（表面势场）内的分子受到的分子间引力总是指向液面，而且刚逸出的分子获得了最大限度的势能增益，也就是说A点上的分子都是低势能的，而B点上出现的分子总是高势能的，明显展示出空间上的序和势。自发偏离平衡当然有意义，为什么还强调空间上的序呢？正如我们前面所说的，既要有源于分子热运动的自发偏离平衡，也要有截获“非平衡”的机制，才可能实现微观的永动转化为宏观的永动。目前我们不能截获并利用分子热运动产生的微涨落并非全因为涨落的微弱，而是因为这些涨落是杂乱无章的。当高势能的分子总是出现在空间上的某个特定区域，构建动力学机制去截获并加以利用其势能就容易多了。

接着要讨论的当然就是如何截获并利用逸出分子的势能了。由于分子间力的作用范围只有几百个皮米，显然在界面相内建立动力学机制去截获分子回落到液面的过程所释放的势能是不现实的。从能量守恒可知，图（1）中的B点上的分子不管是直接回落到A点还是经过别的路径回归到A点所释放的势能是等量的。所以，必须要建立一个动力学机制，它能让分子从A点靠热运动自发逸出到B点后，再以特定的路径返回A点形成循环，并在此过程中释放势能做功。由此思路出发，我们提出了下面的实验方案，当中的动力学机制具有上述功能，能实现微观永动转化为宏观的永动。

如图(2)所示,一个P字形的容器,容器左边的竖直段其上下方各设有一个电极板，容器内装有一定量的电解质溶液（斜线部分），溶液没有充满容器，在左右两竖直段各有一个液面（A液面和B液面）。A液面上设置有一片如图（3）所示的微孔网罩，网罩用低表面能的材料制造（例如孔径在微米量级的聚四氟乙烯微孔膜），所以网罩不被溶液浸润，具有透气不透水的特性，网罩刚好贴附着液面并通过其周边固定于容器壁。本实验模型采用非挥发性电解质做容质(使用高分子电解质更好)，溶液浓度极稀，以使电解质能完全被电离成阴阳离子。由于溶质是非挥发性的，所以容器内的蒸汽是纯溶剂蒸汽。

图2 实验系统的结构图

图3 微孔网罩

假设上述系统是孤立的，初态为平衡态，则溶液各处浓度相等。当在上下极板施加一个电压时，会有如下自发过程：

自发过程1--离子向A液面聚集。因为自发过程中离子会移向极板以降低其电势能，溶液中的阴阳离子分别向两极板永动，原来的稀溶液本体的离子数进一步减少。假设上极板带负电，向上极板移动的阳离子会受到溶液表面张力的限制而聚集在A液面层，使A液面层的离子浓度高于B液面层。而向下极板运动的阴离子对下面讨论的过程没有影响，可忽略处理。A液面受到微孔网罩的限制，不会因离子的推挤而整体上升，仍保持跟B液面持平。

自发过程2--溶剂蒸汽从B液面流向A液面。自发过程1破坏了原来溶液的均匀性，使A液面层比B液面层有较高的离子浓度。溶剂的饱和蒸汽压随溶质的浓度升高而降低，这是溶液通性，所以B液面比A液面有更高的饱和蒸汽压，P形容器内的实际溶剂蒸汽压只可能介于两者之间，不可能同时跟两液面平衡共存。此时，容器内的蒸汽对A液面来说是过饱和，对于B来说是未饱和，B液面蒸发过程占优势，而A液面则表现为吸收溶剂蒸汽，从而导致从B液面流向A液面的溶剂蒸汽流。

自发过程3--暴露于网孔的液面会自发收缩。假设外电场是匀电场，每个网孔都是大小均匀，那可简化为对单个网孔的讨论以了解整个A液面的状况。溶剂蒸汽在A液面的凝结会形成一层层极薄的新液面，此过程对液面层有稀释作用，紧贴于新液面的离子数量也就有所减少。把连续过程分割成间断过程，图（4）所示的是一个间断过程前后的液面形态的变化，一定量溶剂凝结所形成的新液面（弧ODP）比旧液面（弧OCP）有更大的曲率和表面积，因此新液面有更大的附加压强和表面能。施压于新液面的离子数减少了，而液面附加压强却变大了，随之而来的就是新液面的自发收缩。液面自发收缩有如下主要作用：

图4在网孔暴露的液面

1）新液面的收缩能带动紧贴于液面的那些离子往后退，没有紧贴新液面的离子因外电场而总向液面靠近，两者的共同作用使迁移进液相的溶剂分子被挤离液面层而进入溶液本体，这会使A液面层的离子浓度回升，维持着A、B两液面层的浓度差。

2）液面的收缩力对液体产生推挤力，推动了从A液面向B液面的液流，补充了B液面蒸发掉的溶剂。由此，液态溶剂流和溶剂蒸汽流在容器内形成如图(2)中的箭头所示的环流。

3）有助于维持液面形态的稳定，不会因溶剂蒸汽持续凝结而使液面单调增大以至动力学机制崩溃。

虽然外电场对A、B两液面层的离子浓度差的形成和维持有关键作用，但离子到达液面后就受限而不能持续移近电极，A液面层的离子浓度回升的机理实际上是液面收缩做功把刚凝结的溶剂挤进溶液本体，所以电场力并不对离子持续做功，真正持续做功的是表面张力（分子间力），做功消耗的是表面能，其实质是分子间作用能。液面收缩所做的功包括两部分，其一是推动从A液面流向B液面的液态溶剂流，其二就是使A液面层的离子回升从而维持A、B两液面层的离子浓度差，而两液面层离子浓度差是推动溶剂蒸汽流的源动力，所以液面收缩所做的功实际上是推动溶剂环流的动力来源。

通过上述循环机制，我们看到溶剂蒸汽在凝结过程中有部分分子间作用能被截获并用于做功，推动了溶剂的环流。从功能和效果上看，上述装置无疑是一台第二代永动机。我们仅把论文《一种自发形成的非平衡有序结构及其可用性探索》的核心内容在此文中尽量撇开数学计算而简明地带出来，文中对汽液界面的热力学特征，相关的方法论和该动力学机制的原理及各过程导致的能量变化有非常详细的分析，欢迎细读后在此分享你们的真知灼见。个人因客观条件所限，不能对此进行实验验证。但相比那些完全无法进行的“思想实验”来说，上述方案更值得关注，因为它更有可操作性,希望有实验条件的科学家能进行验证。

请下载论文《一种自发形成的非平衡有序结构及其可用性探索》，《嘉应学院学报（自然科学版）》2014年05期,32卷,40-46页。

http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_jydxxb201405009.aspx

蒋健棠

 2014.10.03

一种自发形成的非平衡有序结构及其可用性探索_蒋健棠.pdf