七、百分百热机哪里找

老板总会对员工抱有这样的幻想：

如果不能——

当然，这样的异想天开不只老板会有，19世纪初，工程师们对蒸汽机也有这样的期待。

如果不能——

把吃的饭全用来干活，一点不能偷懒摸鱼，效率100%，这就是第二类永动机。

也怪不得他们思想跑偏，毕竟当时蒸汽机的效率只有3%到5%。

面对四舍五入等于白干的效率，当时的工程师们纷纷思索：

热机的效率能否达到100%？

想让热机干活效率高，又不能让它学时间管理，那就得从热机本身开始搞起。

Part 1　卡诺的热机

第一次工业革命时期，蒸汽机稳站中心位，工作起来相当有节奏感。

即便是当红辣子鸡，也不妨碍蒸汽机当摸鱼达人，可不就急坏了领导，愁坏了工程师？

为了提高效率，英国工程师们琢磨出一个方案：改善伙食，把蒸汽换成酒精啥的。

吨吨吨吨吨吨吨吨吨吨——

当时科学刚起步，工程师们搞改进完全靠拍脑袋想，没有理论支持，改出来的全没用。

他们没折腾出啥结果，这时，另一位不走寻常路的工程师出场了，他就是：卡诺。

要干就干票大的，独宠蒸汽机不行，卡诺想雨露均沾，整一套对所有热机都适用的理论。

等下，啥是热机呢？

热机

就是像蒸汽机一样，靠烧煤等产生的热量干活的机械。

改善伙食这个办法肤浅得很，要透过现象看本质。于是卡诺另辟蹊径，将热机拆开——

1824年，卡诺完成《关于火的动力》一书，提出了卡诺定理和卡诺热机的概念。

他研究出了啥结果呢？

Case 1　热

卡诺觉得热机这玩意儿，靠热量工作，工作效率和给它吃啥喝啥没关系。

所以研究的重点应该是热。可热是啥造型呢？

当时大家普遍接受热质说，认为热就像火锅汤，是一种能流动的物质。受大环境影响，卡诺也这么想，他觉得，热动力和瀑布一个道理：

瀑布动力强不强，要看上游和下游的高度差。

水往低处流，热往凉处走，热是从高温流向低温的，这高低温两兄弟的正经叫法是：

卡诺把热质比作水，高温热源站在上游，向下游的低温热源抛出一波热质，热质在自由奔跑的过程中，顺便推动了机器转动。

这波热质的动力强不强，要看高温和低温热源的温度差。

蒸汽机工作时，热量从煤里跑到冷凝器里，顺便推动了活塞，在卡诺看来，就是这个原理。

原理就是这么回事，脑子会了，但是实际操作起来，热机有自己的想法。

Case 2　机

每一台热机都有自己的脾气，不但零件多，工作时的温度和摩擦力还都不一样，不好研究。

现实中拿它没辙，卡诺觉得可以在脑海里PK，毕竟——

于是卡诺开启头脑风暴，去掉热机里乱七八糟的干扰因素，提炼提炼，从热机中得到一个简单的循环：卡诺循环。

依据这套循环，卡诺想出了一种理想热机，以理想气体为工作物质，几乎只需要汽缸、活塞加个热源，就能动起来。它就是：卡诺热机。

卡诺的理论，明显有爆款的潜质，去繁从简，只留重点，，总之浓缩的才是精华。

可惜的是，在理论还没成为爆款前，卡诺就感染霍乱去世了，因为这病有传染性，他的大部分文稿也被销毁了。

老话说得好，在家靠父母，出门靠朋友，好在卡诺还有个师弟，继承了他的思想，让卡诺热机这根独苗没有断掉。

Part 2　卡诺的师弟

卡诺的绝版滞销书《关于火的动力》，在卡诺去世两年后，才获得第一位认真的读者。

克拉珀龙卡诺翻译机。

他就是卡诺的师弟。

后来，克拉珀龙发表了论文《关于热的动力》，用数学语言翻译了卡诺的理论。

看完这张图后，再看着我的眼睛告诉我，你能看懂吗？就知道你看不懂!那就让哥来去繁从简、只留重点地给你讲讲。

其实这张图说的是热机工作过程，热机工作靠气体，我们叫它阿气。阿气有个特点：

遇热就膨胀，元气满满；

遇冷就收缩，瞬间打蔫。

正是靠着这点天赋，它被请到汽缸里工作，具体的工作分为四步：

Step1　工作奋斗期

小火一点，汽缸吸热，里面的阿气膨胀，保持跟小火一样热，干劲十足，上顶活塞，这个过程叫等温膨胀。

Step2　热情消耗期

小火下班，但阿气刹不住车，继续膨胀，胀得累了，消耗热情，温度也降低，这叫绝热膨胀。

Step3　压力山大期

这时活塞反弹，阿气没加热，顶不住，只能被压缩。虽然它一压就变热，可这热量被低温热源吸走，相当于没变热，这叫等温压缩。

Step4　回炉重造期

系统绝热，阿气被压缩，边压边变热，热到最初的热度，这叫绝热压缩。

等精神小火一来加热，这四步又可以循环动起来。

当然，这几步不是为了直播阿气的社畜生活，而是结合热力学理论一顿推导，得出了卡诺循环的效率：

通过公式我们知道，要想使效率接近100%，办法就是：

然而事实却是：

虽然效率从5%翻身成100%是不可能了，但有了卡诺定理，就有了提高热机效率的路子。

这就像一个能考5分的学生，你给了他解题公式，就算考不了100分——

看了卡诺循环的过程，有些眼尖的同学发现了漏洞：

欸？散热过程有热量损失啊，这不是浪费吗!

如果去掉这一步，效率可不就达到了100%？把热量100%利用，这可不违反能量守恒定律吧。

人们由此追求第二类永动机，但直到一位大神出现，大家才发现又多想了。

Part 3　克劳修斯的热力学定律

这位喜欢研究热的大神，叫克劳修斯，他是把卡诺理论拿来扒了扒，最后来了个经典总结—— 热量不能从低温物体传向高温物体，而不引起其他变化。

这就是热力学第二定律。

克劳修斯的这个定律不能在宏观世界内用理论证明，只能通过实验寻找反例，但到现在，我们都还没在现实世界找到反例。

接着开尔文也提出了类似的观点，开尔文认为，热不能100%转变为功。他和克劳修斯是热力学的两位主要奠基人。其实，克劳修斯表述与开尔文表述是等价的，统称为“热力学第二定律”。

这个定律是咋推翻第二类永动机的呢？

咱先假设有台神奇的发电机，能把从空气中吸的热量全变成电，不散热，转化效率100%，相当于第二类永动机。

当它和一台空调合作时：

发电机首先抓住一份热量，然后把它全变成电传给空调，空调有了电，直接开工，吸收屋里的热量。

根据能量守恒定律，有多少能量进入空调，就有多少能量出来。

进入空调的能量是电和吸的热，而电耗完了又变成没啥用的热量，所以会和刚吸的热量一起被排出去。

排出的热量又被发电机回收发电，回收完发现，哎呀，还多出一份热呢!

这样循环下去，外面只会越来越热，屋里只会越来越冷。

看到这儿你可能会问：

要注意，这里的发电机和空调是一个整体，它们不仅能把热量从低温向高温传递，还不会有任何损失。

这么神奇，明显违反了克劳修斯说的热力学第二定律，所以不可能存在100%效率的机器。

这就从理论上证明了第二类永动机不可能实现。后来大家又从微观世界证明了这点。

咱们更换片场，到微观世界去看看。

固体分子和气体分子的排列方式不同。

固体分子的排列就像仪仗队乘地铁，整齐而又拥挤。

推动固体时，固体分子的动作整齐划一，比如拍板砖，用多少力拍，就有多少力打出去。

而气体分子的排列，就像疫情期间的电影院，一个座位坐人，一个座位放包，保持着安全的社交距离。

等温压缩时这么一推，海景房变蜗居，这谁受得了？于是它们之间会撞来撞去。

这一撞一摩擦，它们气得冒烟，必须散热才能消停，这就产生了能量损耗。

看见了吗？此过程中能量损耗无法避免，所以热机散热的这个步骤也是无法省略的。

其实我们上面讲的，是从熵的角度来解释，熵的概念也是克劳修斯提出的，这部分信息量较大，咱日后再讲。

总之，经过人类的探索，发现要想让热机工作效率达到100%，无论在实践中还是理论上，都不可能。

好了，热力学的发展就先讲这么多。

我们前面也讲过，除了热力学和化学，这个时期和物理一样走上科学化“康庄大道”的，还有生物。至于生物是怎样上道的——

我们下章细细说。