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挑战传统：热力学第二定律成立么 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途挑战传统-热力学第二定律成立么作者:张轶凡摘要:本文回顾了近些年来关于热力学第二定律的种种观点，讨论了近两年饱受争议的中国科学家关于无偏二极管的相关研究和日本科学家关于信息转化能量的试验，并提出了对这一问题的展望。Abstract： This article reviewed in recent years on the second law of thermodynamics is discussed a variety of viewpoints， nearly two years of controversial Chinese scientists on nonbias diode related studies and Japanese scientists regarding the information transformation energy test, and put forward the prospect on this issue.关键词:热力学第二定律 麦克斯韦妖 无偏二极管 信息论Key words: the second law of thermodynamics Maxwell demon nonbias diode information theory一热力学第二定律的提出在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械第一类永动机的制造，因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。在热力学第一定律提出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。由于在大量试验中人们逐渐认识到第一类永动机不可能制造成功，年法国科学院宣布不再接受审查关于永动机的发明。年,在三位伟大的物理学家:迈耶,焦耳，亥姆霍兹的共同努力下，热力学第一定律即能量守恒定律提出，第一类永动机被从理论上彻底否定。在热力学第一定律之后，人们开始考虑热能转化为功的效率问题。这时,又有人设计这样一种机械-它可以从一个热源无限地取热从而做功.这被称为第二类永动机. 1824年，法国陆军工程师卡诺设想了一个既不向外做工又没有摩擦的理想热机。通过对热和功在这个热机内两个温度不同的热源之间的简单循环（即卡诺循环）的研究,得出结论：热机必须在两个热源之间工作，热机的效率只取决与热源的温差,热机效率即使在理想状态下也不可能的达到100。即热量不能完全转化为功。1850年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理，指出:一个自动运作的机器，不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化，这就是热力学第二定律.不久，开尔文又提出：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响;或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。奥斯特瓦尔德则表述为：第二类永动机不可能制造成功。二热寂论和麦克斯韦妖在提出第二定律的同时,克劳修斯还提出了熵的概念S=Q/T,并将热力学第二定律表述为:在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。这之后，克劳修斯把孤立体系中的熵增定律扩展到了整个宇宙中，认为在整个宇宙中热量不断地从高温转向低温,直至一个时刻不再有温差，宇宙总熵值达到极大。这时将不再会有任何力量能够使热量发生转移,此即“热寂论”首先对“热寂说”提出诘难的是詹姆斯克拉克麦克斯韦(James Clerk Maxwell )。1871年，他在热理论一书的末章热力学第二定律的限制中,设计了一个假想的存在物“麦克斯韦妖”。麦克斯韦妖有极高的智能，可以追踪每个分子的行踪，并能辨别出它们各自的速度。这个设计方案如下:“我们知道,在一个温度均匀的充满空气的容器里的分子，其运动速度决不均匀，然而任意选取的任何大量分子的平均速度几乎是完全均匀的.现在让我们假定把这样一个容器分为两部分,A和B,在分界上有一个小孔，在设想一个能见到单个分子的存在物，打开或关闭那个小孔，使得只有快分子从A跑向B,而慢分子从B跑向A。这样，它就在不消耗功的情况下，B的温度提高,A的温度降低，而与热力学第二定律发生了矛盾”。麦克斯韦指出:“只有当我们能够处理的只是大块的物体而无法看出或处理借以个人收集整理，勿做商业用途文档为个人收集整理，来源于网络构成物体分离的分子时，热力学第二定律才是正确的。”此“妖”意在指出热力学第二定律仅具有统计意义上的可靠性。笔者认为，这可以视作对热力学第二定律的否定。因为一个定律如果只对宏观统计有价值而对微观活动所可能出现的矛盾无法解释，那么它就缺乏严谨性，不能称之为定律,而仅仅是普适经验.虽然可能无法找到这个小妖，但它的存在曾令物理学家们伤透了脑筋，长期以来争论不休。直到20世纪50年代，法国物理学家布里渊用信息论批判了麦克斯韦妖，阐述了热力学第二定律的正确性。布里渊在其专著科学与信息论及一系列论文中，从信息论的角度分析了妖魔的分辨本领及控制能力的来源.由于容器是密闭的孤立系统，妖魔处于绝对黑体中，它是不可能看清任何东西的，当然也就无法分辨分子运动的速度和方向，系统只能继续处于原来的平衡态中。除非外面提供光亮，它才有可能看清楚并正确控制阀门,从而增加系统的有序性并使熵减少,但这种有能量输入的系统就不再是孤立系统了,当然就不再适用于热力学第二定律了。三无偏二极管徐业林在从单一室温环境获得能量的实验与研究中提出：人类从自然界获得能量,有两种途径。一种是向物质要能量：如内燃机、蒸汽机、原子能反应堆，这类机器统称为物质发动机，它们的共性是散发余热;另一种获得能量的途径是向内能库要能量，由无偏二极管组成的内能发动机就是其中的一种，这类发动机的共性是散发余冷。内能发动机不直观，由于历史原因，如科学的局限性,以前人们认为是不可能的，但随着科学技术的发展，它的制造已变成可能。2004年光明日报报道:中国科学院生物物理研究所研究员徐业林发明的无偏二极管,陆续获得了俄、英、美、中四国的发明专利。.。.在不需要外加电能、化学能、太阳能等能量的条件下，只要环境温度高于负273,该器件就能奇迹般地输出直流电流这将是一种取之不尽、完全没有污染的新型能源。徐叶林所发明的无偏二极管的原料使用了硅粉、铬粉、锗粉、磷、钨丝电极、载玻片、可伐合金、镍铬丝、金属锑、氩气和氮气等。下图为无偏二极管外观图，其中31是方形载玻片，作二极管的衬板；3是铬层;2是硅层；1是锑层。详细的制作方法见下图，图中的34是镀膜机转轴;26是模板；32是载料圆盘；31是方形载玻片；33是弹性压片；23是蒸镀膜用电极。铬层3制作过程为：将镍铬丝电极装在图2中的23处,将模板26和方形载玻片31放在载料圆盘上。抽真空至510-3Pa，将镍铬丝通电至发红，由于铬的升华特性,载玻片上便可得到一层好的铬膜层。硅层2制作过程为：将螺旋型电极装在图2中的23处,电极上涂硅粉，将模板26和镀好铬的载玻片31放在载料圆盘上。抽真空至510-3 Pa，再加1。5 Pa氮气，通电将电极加热使硅熔化,在铬层上便形成了一层硅膜。锑层1制作过程为：将螺旋电极装在图2中的23处，将锑块夹到螺旋电极的螺旋中，将模板26和镀好铬和硅的载玻片31放在载料圆盘上.抽真空至5103Pa,将电极通电，便可得到镀锑层。二极管制作结束。该无偏二极管测量性能时，必须放入一个密封金属盒中.在这个密封盒中，光电池等器件输出电流电压应为零。不掺杂的样品性能，可以保持数年。掺杂的样品性能可以保持数日至数月。这可能是由于用镀膜机掺杂不均匀所引起的。用镀膜机制作二极管，简单易行，但膜不坚固，难以得到较理想的稳定性。下图是徐业林所给出的制作最成功的无偏二极管的测试性能。以可伐合金为衬板,硅为半导体材料，掺杂2铬粉制成的二极管，经过28天后，其放电性能见下图。其横坐标为时间，单位为min；左边的纵坐标为二极管输出电压，单位为mV；右边的纵坐标为二极管电流，单位为A。图中有两条曲线，上边一条是电流曲线;下边一条是电压曲线。徐业林对该实验现象的解释如下:在半导体中有很多的导电电子,每立方厘米半导体中有1078个导电电子。它们在作杂乱无章的热运动，其速度为107cm/s，是人造卫星速度的几十倍。巧妙地用自然力控制电子的运动,就可以得到很大的能量。此外，这种获得能量的过程,可以不断地自动重复,下图上面的器件是无偏二极管。其中右边的电极为平板电极，左边的电极为带井电极.显然，前者为正，后者为负.中间部分为半导体材料.由于DT是无偏二极管，故将其两端用导线相连时，则有一连续、持久的直流电流IT流过导线.如果在回路中串联电阻RT,二极管DT的端电压也是ITRT，该电压在二极管DT内部形成一个电场E1: d表示两电极之间的距离，电场E1方向如图所示,与电子运动方向相同。由于DT具有无偏单向导电作用，所以电子可以由电极3到达电极1，反之困难.电极3中的电子由3到1运动过程中，受到减速力eE1的作用.当它到达电极1后，克服减速力F1所作的功w1为减速力F1与电子热运动方向相反，F1使该电子愈走愈慢。也可以这样理解，该电子推动电子流流动，因而该电子要降速.电子降速是获得能量的根源.如果单位时间有n1个电子由电极3到达电极1，它们总共损失的能量W1为以n1e作为电流的单位,则有：就是，二极管将热运动速度较高的电子的多余能量拿出来，转变成电阻的功耗由于热运动速度较高的电子的速度降低了，使二极管温度下降，其温度低于环境温度，它将从环境中吸收热量。电流IT使电阻RT发热，电阻向环境散发热量Q3。负载发热，二极管吸热二者相等，通过环境构成循环。能量不断地自然循环，为人类所使用。上述能量循环过程如图7所示。能量循环的推动力是导电电子的热运动.这种所谓的内能发动机和传统意义上的热机所不同的是：“蒸汽机必须不断添加燃料,余热散发到环境中之后无法循环利用。而内能发动机的余热和散发到环境中的热量Q可以自动地再回到二极管中。热运动速度低的电子可以通过碰撞变成热运动速度高的电子。内能发动机利用这一巧妙循环，给人类不断地提供能量。巧用循环对人们并不陌生。人们所用的空气、水都是通过巧用循环得到的.显然，导电电子速度是不相同的，有的快有的慢，是内能发动机输出能量的关键。假设，导电电子速度是相同的,如图9所示。电子从电极3向电极1的运动过程中就不可能降速.导电电子的能量就拿不出来.无偏二极管就不可能输出电流、电压。”为此，徐业林甚至大胆的提出了能量等效定律: 自然界中的能量有各种不同的形式，不论能量的形式如何，均可借助于无偏二极管和现有的其它技术手段，任意转化，彼此等效，不产生其它影响。虽然徐业林在论文中牵强并固执地认定该现象并不违背热力学第二定律,并且如同麦克斯韦一样试图对热力学第二定律进行所谓的修正在一个微观粒子不对称热运动效应可以忽略不计的孤立系统中，熵趋于增大.然而这无异于推翻了传统意义上的热力学第二定律。因此笔者认为：徐业林的无偏二极管的倘若发电原理真如徐业林上文中所解释的那样,那么这实质上就是建立了一种微观的选择性机制，所以，无偏二极管的可以认为就是一种固体的麦克斯韦妖.然而有关科学家对徐业林的研究成果提出种种质疑：一位院士指出光明日报无偏二极管有望开辟新的能源出路一文中所提二极管，是违背能量守恒定律、在科学上不可能出现的“永动机”。另一位学者在某报上发文，也认为无偏二极管是违背热力学第二定律的第二类永动机。这种类比，在科学上不能成立.其中方舟子在网站新语丝上发表文章，从原理上质疑了无偏二极管.他认为，粗糙金属板相对于光滑金属板有较高的表面势能,这是电流得以产生的 真正基础，即无偏二极管是一种“势能电池”。由于粗糙金属板表面势能高，使 其电子具有向光滑金属板转移以降低体系势能的倾向。如果接通外部回路，则电 子通过外部电路转移形成电流。由于粗糙金属板对外部电路提供电子，故成为电池的负极。电子流出后，粗糙电极带正电荷,能释放金属阳离子并透过夹层扩散 到光滑电极,并在那里与电子复合，形成电池内部回路。电池工作的结果是粗糙 电极通过将表层金属物质转移到光滑电极，粗糙度逐渐减小，表面势能降低，电 池所提供的能量正是来源于表面势能的消耗。由此“势能电池”原理,可以作出如下推断:1、粗糙电极的粗糙度越高（即“小井越细越密集），表面势能越高,电 流越大； 2、半导体夹层越薄（以不短路为前提)，电极金属阳离子跨极扩散越容易， 电池内阻越小，电流越大; 3、半导体夹层搀杂后，可显著提高金属阳离子扩散能力，电流显著增大，但电池寿命也显著降低;分析对比可得,这些推断的现象真实的出现在了徐业林的无偏二极管上，所以无偏二极管的机理值得深入研究。鉴于在文献库中尚未查到有其他科学家做出徐业林的无偏二极管,笔者有意将来申请项目开展关于无偏二极管的相关研究，以彻底搞清其机理与真伪，判断这个现象是否触动了热力学第二定律。四国外的最新进展国外的一些新近研究使热力学第二定律是否存在的问题更久扑朔迷离。2007年2月的自然报道了一种人造的分子机器,它可以使系统逐渐远离平衡态，研究者们将其中关键的控制机构称为“信息擒纵阀”，该阀门使用外部提供的光作为能量源，用来控制分子由低密度向高密度的穿梭过程。在自然界中，几乎所有的重要生理过程都是通过分子机器来驱使化学系统偏离平衡的，研究者的目的就是靠人工系统在分子尺度上也完成类似的任务,这可能导致具有生物体类似功能的分子器械的出现，例如将某些离子从低浓度的区域移动到高浓度的区域,这在医学上具有重要的应用前景.这个实验系统是开放的，它消耗了外部提供的光能，从而产生了熵减过程。科技日报2010年11月16日头版有篇名为科学家首次将信息转化为能量的文章，文中介绍了日本的一项研究，研究人员在实验室中让一个纳米小球沿电场制造的“阶梯向上爬动,爬上一层后利用电场能量在那层阶梯上加一堵墙，使之落不下来，该小球就会越爬越高，从而势能也越来越大。与上一个人造分子机器类似，这同样也是一个熵减过程实验，其主要贡献是纳米尺度上的精密控制新技术。当然以上两种研究分析得出并未从本质上触动热力学第二定律,只是验证了布里渊的信息转化理论。两种熵减过程均伴随着能量的消耗。虽然有权威媒体将其阐述为对麦克斯韦妖的支持,但笔者认为这毫无疑问是错误的结论。两项实验所引发的实际问题和徐业林的无偏二极管所产生的理论性撼动有本质区别.五展望在中世界欧洲，亚里士多德哲学理论统治着物理世界。在那个时代没有任何一个科学家会怀疑它的正确性。因为现实中的许多现象可以用亚里士多德的理论去解释。然而伽利略和牛顿的出现推翻了亚里士多德，用更科学的试验方法发现了该理论的局限性，进而从理论上建立了经典力学。这之后，科学的钥匙打开了人类社会走向近代化的大门，直到第一次工业革命，科技发展达到高潮。19世纪人很难去质疑牛顿三大定律，但技术的发展毫不留情的地反思着科学理论的局限。终于以爱因斯坦为代表的一批20世纪初叶的科学家颠覆了在那个时代看起来已经无比完美的牛顿力学，开创了相对论和量子力学的先河。于是科技再一次大爆炸,第二次工业革命的凯歌将人类送到了电气化时代.虽然今天我们自豪的宣称着人类正迈入信息化的大门，科技飞速发展。但实际上在基础理论的层面上人类所掌握的科学尤其是理论物理几乎还停留在二十世纪初叶爱因斯坦那个年代的水平。我们当今面临的种种问题比如能源问题和资源问题远没有解决，自然环境的恶化似乎向我们暗示着人类社会正在走向衰亡。人类历史的天空正在被乌云所遮蔽。在这个黎明前的黑暗时刻，我们必须从理论上获得科学的发展.热力学第二定律虽然被无数的实例有力的证明，但它毕竟只是一个经验.而我们绝不能因为没有观察到就坚信一定不存在.须知500多年前的古人并不能认识到地球是一个球体，100多年前的人也并不能观察到违背牛顿定律的物理现象，这只是人类的观察技术的局限性。既然今天我们已经有各种实验现象在隐隐约约的向我们暗示着热力学第二定律中的玄机,我们岂能简简单单的将其定义为伪科学。或许，这些异乎常理违背已有规律的现象正是上帝为了拯救人类而有意为人类揭开的冰山一角，关于这个命题还有更多激动人心的内容等待着我们去发现.10