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「热力学」既然没有永动机，为何分子可以不停地做无规则运动？


「热力学」既然没有永动机，为何分子可以不停地做无规则运动？
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「热力学」既然没有永动机，为何分子可以不停地做无规则运动？
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「热力学」既然没有永动机，为何分子可以不停地做无规则运动？
自古以来 ， 人类就从来没有减慢过对自然环境中能量进行利用的步伐 ， 无论是远古时期人类祖先利用火种极大提升了适应和改造环境的能力 ， 还是现代的人们应用各种油气资源和新能源推进生产和生活水平的提升 ， 都与能量的直接或者间接利用密切相关 。 而能够制造出不需要输入能量且能持续对外输出能量的机器 ， 则成为很多人为之奋斗的梦想 ， ”永动机“的概念就是在这样一种大的背景下 ， 大约在1000年前开始萌发的 ， 之后很多包括科学家、机械制造者、疯狂爱好者脑洞大开 ， 提出了各种各样关于永动机的模型 ， 但运行起来后均告失败 。
为什么永动机制造不出来？主要原因在于它违反了物理学的基础定律 。 如果从运动方面来看 ， 在不需要输入能量的情况下可以持续对外做功 ， 那么在这个系统中总的能量就会持续增加 ， 这不符合能量守恒定律 。 如果从热力学方面来看 ， 当在没有温差的情况下 ， 一个机器系统可以持续从外界吸收热量而转化为机械能 ， 那么这也与热力学第二定律相违背 。 而能量守恒、热力学定律是当今物理界最基础的理论 ， 我们不可以创造出一个物体 ， 使其运动规律脱离现有物体体系的规律框架 。
有些人到目前为止对永动机还不放弃 ， 甚至认为只要是持续运动的物体 ， 就有可能成为一个永动机系统 ， 这是对能量守恒定律的片面理解 ， 也是对永动机概念的片面理解 。 既然叫永动机 ， 绝不仅仅是字面上体现的”永动“二字 ， 更重要的是要在没有能量输入的情况下对外界持续做功 ， 脱离了这个终极目的谈永动机 ， 都不是严格意义上的永动机 。
比如 ， 有的人提出：“地球永远围绕着太阳进行公转 ， 那么地球就是一个永动机”就犯了这样的错误 。 按照牛顿力学定律 ， 如果一个物体没有受到外力或者受到外力的合力为零 ， 那么这个物体就会保持原有的运动状态不变 ， 地球在宇宙空间中的运行 ， 受到的各种引力的作用综合结果基本上平衡的 ， 因此在非常稀薄的宇宙空间中可以维持着周期性的高速运转 。 从地球系统来看 ， 虽然地球本身处在不断地运动中 ， 但它没有对外做功 ， 也就是说它不是一个“永动机” 。 假如我们在地球行进路线中 ， 放置大量的阻挡物、或者将地球连上许多巨大的齿轮 ， 让地球对这些外界物体做功 ， 则地球本身自转或者围绕太阳公转的运动速度 ， 将会逐渐地被降下来直至相对性的停止 。
同样的 ， 在分子层面 ， 分子每时每刻在进行的无规则运动 ， 也不能将其看作是一个个“永动机” ， 它们的运动是分子热运动的体现形式 。 宇宙中所有物体的温度都在绝对零度以上 ， 那么分子就会拥有不同程度的内能 ， 这些内能是分子进行无规则运动的源泉 。 而我们创造出来的“温度”的概念 ， 就是衡量物体内部微观粒子热运动水平高低的一个标量 ， 热运动越剧烈 ， 微观粒子间的碰撞和摩擦就越强 ， 对外表现出的温度就越高 。 反过来 ， 我们对一个系统注入能量 ， 就会推动提升分子间的热运动水平 。 处于不同热运动水平的物质 ， 即在宏观上表现为温度不同的物体 ， 它们之间在一定距离内可以通过热传导、热对流或者热辐射的方式进行热量的传递 ， 最终使得在一个系统中的温度保持恒定状态 。
按照热力学第二定律 ， 热量仅可以从温度的物体转移到温度低的物体 ， 同时 ， 不可能从单一热源持续吸收热量并对外做功 ， 而不会对热源及其它因素产生影响 。 从中我们可以看出 ， 当一个物体对外界做功 ， 在没有外界能量的输入之下 ， 组成物体的微观粒子的总内能是呈下降趋势的 ， 而总内能表现在两个方面 ， 一个是分子的平均动能 ， 另外一个是平均势能 ， 那么在持续对外界做功的这种情况下 ， 物体如果没有空间上的转换 ， 那么组成物体分子的平均动能必将会逐渐减少 ， 分子无论是运动的幅度、范围还是频次 ， 都较做功以前要有一定程度地减弱 。


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