人类与“永动机”的千年恩怨（二）：存在“额外”的能量吗？

作者：鲁超

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

波义尔不光折腾永动机，还是热力学的开创者之一，他利用格里克发明的真空泵研究出了波义尔定律（高中物理都要考的）。在这个背景下，蒸汽机应运而生，在瓦特大幅提升了蒸汽机效率之后，工业革命正式来袭。科学技术促进生产的发展，反过来工业效率的提升又极大地加深人们对科学原理的认知。一大批科学家投身热力学，在他们的研究过程中，人类接触到了宇宙终极奥义。

热力学是一种可以改变人生观的学问（图片来源：google）

能量始终守恒

1842年，德国物理学家迈耶提出：在恒压过程中，用来产生膨胀的热量与功之间普遍可互换。

1850年，克劳修斯在此基础上给出了一个更加明确的说法：在所有热机做功的情况下，所消耗的热量与所做的功成正比；反过来，等量的功产生等量的热。这就是热力学第一定律，也就是能量守恒定律。

这时候人们终于发现，任何一个封闭体系的能量都是一定的，只是从一种形式转化成另一种形式。比如你抬起一个乒乓球，然后放手让它落下，球的势能转化为动能，速度越来越快，直到弹到地上，动能转化成空气振动的机械能，这就是乒乒乓乓的声音，除此之外，还将地面和自己也加热了那么一点点。

（图片来源：google）

当我们打开电灯，电能通过电线输入，转化为可见的光能，也产生了一点热能。

（图片来源：google）

我们点燃酒精炉加热食物，这是蕴藏在酒精里的化学能变成热能和光能。

（图片来源：google）

就连驱动人体运动的能量，也来自食物里的化学能。不吃饭饿肚子，更跑不动。

（图片来源：google）

而如果你要想跟造物主耍点小聪明，想要通过精巧的设计来创造出额外的能量，上帝会给你出示警示牌：“对不起，你没有权限！”而如果想要偷取上帝的一点点能量，那更是痴人说梦了！

（设计台词）上帝：把人类那帮小兔崽子都盯紧了，防火防盗防人类！（图片来源：wiki）

“额外”的能量存在吗？

尽管人们在自然界探寻到了一些有趣的现象，发现了看似“额外”的能量，并想办法去利用它们。但最终仍然是失败了，因为能量守恒定律无处不在。当然先人的工作仍然很有意义，因为他们扩大了我们的认知范围。

1827年，英国发明家康格里夫爵士观察到毛细现象，水在特别细的管子里竟然会自动上升，这能量是从哪里来的呢？他就此脑洞大开，设计出一套装置，用滑轮带动一个斜面，从顶部到底部，贴附了一整圈的海绵，康格里夫相信，由于海绵的毛细作用，他的装置会持续运作。

英国发明家康格里夫爵士（图片来源：wiki）

靠一块海绵就可以产生无尽的动力，这种设计当然是异想天开了。那么，康格里夫爵士的错误在哪里呢？

原来，毛细现象绝非上帝的施舍，或者宇宙系统的bug。水进入毛细管中，水和玻璃的界面增加，玻璃和空气界面减小，前后的表面张力不同，释放了一部分表面能，转化成管中水的势能。所以，水在毛细管中的上升，提升的势能实际上来自表面能的变化。

表面能其实在生活中无处不在，比如水面能放置回形针、硬币，水蜘蛛可在水的表面漂浮行走等。

水蜘蛛为何能在水面行走？（图片来源：google）

再比如面粉爆炸，这是一件让很多人莫名其妙的事情。面粉，这可是用火也很难点着的东西啊！

我们先从制作面粉说起，粉碎机把小麦加工成很细很细的面粉，在这个过程中，粉碎机消耗了电能对小麦做功，一部分能量转化成面粉的表面总能量，被粉碎的程度越大，颗粒越小，表面积越大，那么总表面能也就越大。我们把面粉扬在空气里，看似乌烟瘴气，实则高能危险。当每立方米空气中含有超过9.7g面粉时，被空气均匀分散后，比表面能很高的面粉由于与空气接触更充分，面粉和空气这个系统总的化学势能增加，更容易达到活化状态，一旦遇到火星，甚至只要环境达到适当的温度，就会瞬间燃烧并形成猛烈的爆炸。因此，当我们理解了从加工面粉开始的能量变化，就不会对面粉爆炸这种现象产生怀疑。

回过头来，虽然康格里夫爵士犯了错误，但那是因为当时人们还没有深入了解表面能，他的努力加深了人类对表面能的理解，所以仍然是有意义的。

面粉厂发生爆炸（图片来源：wiki）

与之类似的还有克鲁克斯的光能辐射计，在一个局部真空管里放置一组金属叶片，所有叶片一侧是抛光或白色的，另一侧是黑色的。当用光照射时，叶片竟然会自发转动，因此，这个装置也被称为“太阳风车”。

（图片来源：wiki）

克鲁克斯的这个神器被制造出来以后，一时间各种解释纷纷来袭，引发了巨大的争论，连大神麦克斯韦也参与其中。后来，真正被科学界接受的解释是雷诺斯于1879年作出的，恰逢这一年麦克斯韦去世，而麦神又曾批评过雷诺斯的这一解释，因此雷诺斯的论文未能及时发表，理由是：“麦神刚一去世，就发表你的论文，不太好吧？”这反而让“太阳风车”增加了一层神秘色彩。直到现在，作为激发孩子好奇心的玩具，很多学校和博物馆里仍然展示着“太阳风车”。我们虽然知道这绝不是传说中的永动机，而是光能转化成机械能，但有关其最准确最细节的解释，非相关方向的物理学教授也很难给出。

现在我们有了更好的方法，可以直接将光能转化成电能，那就是光伏。

（视频来源：wiki）

再比如居里夫人提取出镭元素后，一到夜间，她的板屋就成了一个精灵的世界，玻璃、纸张、甚至衣服都在闪闪发光。那是镭一刻不停地释放着光、热以及那不可见的、含有巨大能量的射线。一时间，无数科学家开始质疑居里夫人的发现，因为这一发现与牢不可摧的能量守恒定律似乎相悖。

居里夫妇在实验室观察镭（图片来源：google）

1904年，美国著名作家马克吐温甚至写了一部短篇小说《与撒旦的交易》，文中的撒旦身高一米八五，体重400千克，他通体由镭构成，所以全身都发出绿色的冷光，放射性特质让他浑身发热，这热量足以点得着雪茄。可见在当时，全世界都被镭元素这神奇的能量所惊叹。

现在我们知道，镭的强大能量来自原子核反应的质量亏损，“居里夫人们”对于放射性现象的研究，带领我们进入了原子能的时代，我们终于制造出了原子弹、氢弹等核子武器，并享受着核能带来的便利。