都知道不存在永动机,那么分子为什么可以一直做无规则运动?

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永动机,或许是一个永远不会过去的话题。

科学早已告诉我们,永动机并不存在,但很多人都有这样的疑问:既然永动机不存在,那么为何宇宙万物都在不停地运动呢?为什么分子可以一直做无规则运动呢?

都知道不存在永动机,那么分子为什么可以一直做无规则运动?-第1张图片-趣闻屋

首先,我们要明白永动机的定义。永动机,并不是字面意思,并不是“永远不停转动的机器”,而是“不需要外部能量输入或者只需要初始能量就可以不断做功的机器”(第一类永动机)。

永动机的关键不在于“涌动”,而在于“做功”。

通常情况下,永动机可以分为两种。

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先看第一类永动机,不需要外部能量输入就可以永远对外做功。它违反了能量守恒定律。能量不会凭空产生,当然也不会凭空消失,只能是能量形式的转换,或者物体时间的转换,比如说热能转换成动能,或者你用热水袋取暖,热能就从热水袋传递给你。

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整个过程,总能量是不变的。

还有第二类永动机,从单一热源吸热,同时不间断地做功的永动机被称为“第二类永动机”。这种永动机并没有违反能量守恒定律,但未然了热力学第二定律。机械能可以转换成内能,但内能不可能全部转换成机械能而不引起其他变化。

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说了这么多永动机的事情,现在回过头来解释一下为什么分子可以一直做无规则运动。

分子的无规则运动,也叫“布朗运动”,是1826年英国植物学家布朗发现的。

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之所以分子会一直做无规则运动,主要是因为分子都具有能量,单个分子运动规律遵循力学规律,多个分子运动规律遵循统计规律,是没有规则的。

比仅仅是分子,宇宙万物都有能量,只是大小不同而已,而且微观世界的粒子携带的能量很难被我们发现。理论上只有绝对零度的环境中才不存在能量。但绝对零度仅仅是理论上的温度最低值,不可能达到,就像我们永远达不到光速一样。

所以,分子等微观粒子的无规则运动,与永动机没有任何关系,两个完全不是同等概念。

不仅仅是分子,在更小的微观领域,原子,原子核,电子等微观粒子都在不停地运动中,它们都带有能量。

同时,量子微观世界的不确定性也注定了任何微观粒子都必须不停地运动,它们的位置和速度都是不确定的,但位置和速度不确定性乘积必须大于等于一个常数。

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也就是说,微观粒子的速度不能确定下来(不能为零),必须一定运动。

最后有必要补充一点,能量守恒定律表明,能量不会凭空产生,也不会凭空消失。其实这里有一个“例外”:那就是真空中的虚粒子对可以“凭空”衍生出来,看起来好像违背了能量守恒定律。

其实不然。虚粒子对在真空中凭空出现,时间非常短,瞬间就会消失,把能量“还给”真空,整体能量依旧保持守恒。

这在量子世界是被允许的,只要时间足够短,就可以发生。这也表明了时间和能量的不确定性,两者的乘积同样必须大于一个常数(如上图)。

标签: 宇宙探索

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