2013年5月1日

一定動永動機

作者/曾耀寰(任職中研院天文所)

家裏的無線電視傳來長達數分鐘的廣告,某某牌一定熱發熱毯,除去重複的台詞,剩下的重點可歸納如下:一、它是一種免用電的主動式發熱毯;二、它使用鈦鍺奈米能量粉作成膠體層,編織入毯,構成宇宙能量波發射源;三、透過體溫與宇宙能量波發射源的熱效應共振,使發熱毯升溫2.5度,達到發熱效果。不用插電,就能不斷地發熱,實在太神奇了。

這種號稱不用電的主動發熱毯讓我聯想到永動機,公元七世紀,印度天文學家(Brahmagupta)設想一種輪子,在中空的輪輻內裝可流動的水銀,這輪子一轉動,就不會停止。不用任何外加作用力也不會停下來,就像點石成金的煉金術讓人著迷。一直到現在,各式各樣的永動機不斷出現,但沒一件成功,因為永動機違反基本的物理定律,早在1775年法國巴黎科學院就決議拒絕審理永動機,1917年美國專利局決定不受理永動機的專利申請,但永動機就像海市蜃樓,吸引了夢想家的追尋。

永動機為什麼不可行,說穿了,就是違反熱力學定律。我們可以將永動機粗分成三類,第一、二類分別違反熱力學第一、二定律,第三類則純粹是騙人的把戲。一般的永動機除了不需要額外施力,還要能對外作功,提供源源不絕的動力,我們將之歸成第一類永動機,簡而言之,第一類永動機就是無中生有,但這是違反熱力學第一定律:能量守恆。

熱力學是物理學中重要的一支(可惜高中物理課程沒有介紹熱力學),發展於十九世紀的工業革命。人類使用蒸汽機取代人力,透過加熱產生蒸汽,利用蒸汽達到對外做功。研究熱與功之間的關係,而有了第一定律,為了提升蒸汽機效率,而發展出第二定律。熱力學第一定律是說能量守恆,能量有很多種型式,如物體運動所帶的動能、在重力場內的重力位能、內部原子分子無規熱運動的內能、電磁作用的電磁能等,而這些能量可以相互轉換。在一個封閉系統內,不管如何轉換,總能量不會改變(後來發現質能才是守恆)。1840~1848年間,英國物理學家焦耳透過實驗證實熱與功之間的關連,1847年德國物理學家亥姆霍茲(H. von Helmholtz)首次用力學理論證明能量守恆。而第一類永動機設計理念的共通處就是要在不提供額外能量的情況下,還能對外作功,明顯違反能量守恆,這就是第一類永動機不可能存在的原因。1570年代,歐洲人設計出阿基米德螺旋汲水器(Archimedes Screw),希望把水從低處抽汲到高處(圖一),讓抽到高處部分的水向下流,帶動汲水器,使之永動,但在不外加能量的情形下,摩擦力會使得抽上去的水比流下來的水少,汲水器終舊停下來。【更詳細的內容,請參閱第521期科學月刊】
圖一:阿基米德螺旋汲水器,利用螺旋汲水,將水從低處B 送到高處A,然後從E處流下,拍擊葉片,轉動螺旋汲水器(圖片來源:http://www.cs.drexel.edu/~crorres/Archimedes/Screw/ScrewPerpetual1.jpg

1 則留言:

hizirov yusup 提到...

反作用驱动
https://m.youtube.com/watch?v=z2w3RBRWNYc