第二類永動機和功熱轉(zhuǎn)換的不可逆性

金仲輝

讀者“卡布奇諾”問：“老師在講授熱學時，曾提及第二類永動機，但我對它不太明白，能否解釋一下，”筆者試著簡單地回答這個問題，

在物理學發(fā)展史中，曾有人提出過兩類永動機，即第一類永動機和第二類永動機，第一類永動機指的是這樣一類的機器：該機器無需消耗能量就能對外界做功，這顯然是違背了能量的守恒和轉(zhuǎn)化定律的，所以，所有追求制造第一類永動機的人均以失敗告終，如果說提出第一類永動機是異想天開，那么提出第二類永動機則是有些歷史原因的，

自從英國的瓦特發(fā)明蒸汽機后，英國走上了工業(yè)發(fā)展的道路，但人們也為蒸汽機的低效率而苦惱。如何提高熱機（如蒸汽機、內(nèi)燃機等）的效率成為許多科學家和工程師的研究課題，其中就有人提出了研制第二類永動機，即是否可能制造出這樣的熱機：它只需從高溫熱源吸取熱量對外做功，而不需要向低溫熱源放熱，也就是說熱機從高溫熱源吸取的熱量全部用來對外做功，于是，熱機的效率可達到100%，這樣的熱機并不違背能量的守恒和轉(zhuǎn)化定律，這種設想無疑是非常誘人的，曾吸引著很多人去研制它，例如，美國的一位發(fā)明家設計出所謂的“零發(fā)動機”。按他的設計，若選用易液化的氨為工作物質(zhì)，可在0℃時產(chǎn)生4個大氣壓的推力來驅(qū)動活塞做功，當時的美國海軍軍部非常支持這個設計，他們認為美國海軍從此無需靠岸補充燃料，只要直接從海水中吸熱就行了，但是，所有第二類永動機設計方案的命運和第一類永動機的命運是相同的，均以失敗告終。

法國工程師卡諾的研究工作證明了第二類永動機是不存在的。他對各種熱機進行了仔細的分析和研究，得出它們都具有兩個共同的特點：（1）都具有高溫熱源和低溫熱源；（2）工作物質(zhì)（例如蒸汽機的工作物質(zhì)是蒸汽）都是從高溫熱源吸熱，向低溫熱源放熱。對外做功，這兩個共同的特點說明了，任何熱機從高溫熱源所吸取的熱量，部分用來對外做功，部分必被低溫熱源吸取，這就是說，即使不考慮熱機在循環(huán)過程中由于摩擦和漏氣所造成的能量損失，熱機的效率也永遠達不到100%。

由以上討論可看出，提高熱機效率的關鍵是降低被低溫熱源吸取的熱量，對于卡諾熱機（一種理想模型的熱機）來說，提高高溫熱源的溫度和降低低溫熱源的溫度是提高熱機效率的途徑，卡諾最終提出以他的名字命名的卡諾定律，該理論不僅指出了提高熱機效率的方向，同時也揭示出熱學現(xiàn)象中的一個基本原理，即功熱轉(zhuǎn)換過程的不可逆性。簡而言之。就是功可以全部轉(zhuǎn)換成熱量（例如摩擦力所做的功可以全部轉(zhuǎn)化成熱量），而逆向的過程，即熱量全部轉(zhuǎn)化成功是不可能的。

卡諾定律為熱力學第二定律的建立奠定了實踐基礎，熱力學第二定律（開爾文提出）的一種表述為：單一熱源不可能使吸收的熱量完全轉(zhuǎn)化成有用的功而不產(chǎn)生其他影響。

責任編輯 程哲