第二类永动机和功热转换的不可逆性

金仲辉

读者“卡布奇诺”问：“老师在讲授热学时，曾提及第二类永动机，但我对它不太明白，能否解释一下，”笔者试着简单地回答这个问题，

在物理学发展史中，曾有人提出过两类永动机，即第一类永动机和第二类永动机，第一类永动机指的是这样一类的机器：该机器无需消耗能量就能对外界做功，这显然是违背了能量的守恒和转化定律的，所以，所有追求制造第一类永动机的人均以失败告终，如果说提出第一类永动机是异想天开，那么提出第二类永动机则是有些历史原因的，

自从英国的瓦特发明蒸汽机后，英国走上了工业发展的道路，但人们也为蒸汽机的低效率而苦恼。如何提高热机（如蒸汽机、内燃机等）的效率成为许多科学家和工程师的研究课题，其中就有人提出了研制第二类永动机，即是否可能制造出这样的热机：它只需从高温热源吸取热量对外做功，而不需要向低温热源放热，也就是说热机从高温热源吸取的热量全部用来对外做功，于是，热机的效率可达到100%，这样的热机并不违背能量的守恒和转化定律，这种设想无疑是非常诱人的，曾吸引着很多人去研制它，例如，美国的一位发明家设计出所谓的“零发动机”。按他的设计，若选用易液化的氨为工作物质，可在0℃时产生4个大气压的推力来驱动活塞做功，当时的美国海军军部非常支持这个设计，他们认为美国海军从此无需靠岸补充燃料，只要直接从海水中吸热就行了，但是，所有第二类永动机设计方案的命运和第一类永动机的命运是相同的，均以失败告终。

法国工程师卡诺的研究工作证明了第二类永动机是不存在的。他对各种热机进行了仔细的分析和研究，得出它们都具有两个共同的特点：（1）都具有高温热源和低温热源；（2）工作物质（例如蒸汽机的工作物质是蒸汽）都是从高温热源吸热，向低温热源放热。对外做功，这两个共同的特点说明了，任何热机从高温热源所吸取的热量，部分用来对外做功，部分必被低温热源吸取，这就是说，即使不考虑热机在循环过程中由于摩擦和漏气所造成的能量损失，热机的效率也永远达不到100%。

由以上讨论可看出，提高热机效率的关键是降低被低温热源吸取的热量，对于卡诺热机（一种理想模型的热机）来说，提高高温热源的温度和降低低温热源的温度是提高热机效率的途径，卡诺最终提出以他的名字命名的卡诺定律，该理论不仅指出了提高热机效率的方向，同时也揭示出热学现象中的一个基本原理，即功热转换过程的不可逆性。简而言之。就是功可以全部转换成热量（例如摩擦力所做的功可以全部转化成热量），而逆向的过程，即热量全部转化成功是不可能的。

卡诺定律为热力学第二定律的建立奠定了实践基础，热力学第二定律（开尔文提出）的一种表述为：单一热源不可能使吸收的热量完全转化成有用的功而不产生其他影响。

责任编辑 程哲