第三类永动机违背了什么定律

　　从理论上讲，匀速直线运动的物体属于第三类永动机

　　永动机是一类所谓不需外界输入能源、能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断运动并且对外做功的机械。

　　“第一类永动机”指不消耗能量而能永远对外做功的机器，它违反了能量守恒定律。“第二类永动机”指在没有温度差的情况下，从自然界中的海水或空气中不断吸取热量而使之连续地转变为机械能的机器，它违反了热力学第二定律。这两类永动机是违反当前客观科学规律的概念，是不能够被制造出来的。“第三类永动机”泛指

第三类永动机指没有任何摩擦力的机器。“没有任何摩擦力”本身是不可能的，所以这也被归类在不可能的机器的行列。

　　一个理想的匀速直线运动物体，在无摩擦的理想条件下，就是一个永动机（第三类）。它的机械能（动能）保持不变，没有任何耗散，没有能量转化，保持原有速度一直运动以至无穷。然而，在现实世界中，理想匀速直线运动的理想条件是不存在的，因为现实中总是有摩擦存在，所以在物体运动过程中，热耗散不可避免。所以会看到，无论物体与接触面多么光滑，物体的运动速度都会越来越小，直至停止。

永动机是一类所谓不需外界输入能源、能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断运动并且对外做功的机械。不消耗能量而能永远对外做功的机器，它违反了能量守恒定律，故称为“第一类永动机”。在没有温度差的情况下，从自然界中的海水或空气中不断吸取热量而使之连续地转变为机械能的机器，它违反了热力学第二定律，故称为“第二类永动机”。这两类永动机是违反当前客观科学规律的概念，是不能够被制造出来的。1775年法国科学院通过决议，宣布永不接受永动机，现在美国专利及商标局严禁将专利证书授予永动机类申请。“第三类永动机”泛指永远都在动的机器。指将一种能转化为功。既消耗能量无限做功。

　　根据这两个热力学定律，永动机也被分成两类。违背热一律的东东１被称为第一类永动机，违背热二律的东东２被称为第二类永动机。这两类永动机在科学共同体内部已经达成共识——造不出来。不过，人们心中普遍还有一个永动机之梦，我称之为第三类永动机——“东东３”。

　　让我们先回到永动机的字面意义。简单地说，永动机就是永远运动的机器。那么，一个不需要外界能量和物质输入而实现物质和能量自循环的装置，就是一个永动机喽！比如一个理想单摆，在无摩擦的理想条件下，就是一个永动机！它的势能和动能不停地转化，没有任何耗散，在系统内部实现能量的自循环，并且循环往复，以至无穷。当然，在现实世界中，理想单摆的理想条件是无法满足的，因为总是有摩擦存在，所以在势能和动能的转化过程中，热耗散不可避免。所以我们会看到，无论摆轴多么圆滑，摆的振幅都会越来越小，直至停止。

　　然而，如果我们从外界输入能量，补充耗散掉的能量，比如给这个单摆装一个太阳能发条，这个单摆是否可以永远运动下去呢？

　　按照现在的科学结论，我们这个地球已经存在了４６亿年了。相信每个人小时候都问过：雨是哪儿来的，河水是哪儿来的？通过小学自然课程，我们也会建立起各种物质循环的概念。海水蒸发为云，被各种季风带到全球各地，下降为雨雪，成为河流——这是水的循环。人和动物吸入氧气，呼出二氧化碳，植物利用太阳能将二氧化碳中的碳固定下来，放出氧气——这是氧气和二氧化碳的循环。在我们这个地球上，有许许多多这样的循环。人们普遍相信，只要有太阳在天上照耀，这样的循环就可以永远进行下去。

　　１９９０年代，美国人在亚利桑那州的沙漠里进行了一项实验，实验装置是一个硕大的温室，占地一公顷，在里面预先设置了河流、树林、草地、动物、人……总之，一切都是尽力模仿地球的生物圈而设计的，所以该温室被命名为生物圈２号——至于１号嘛，他们用来命名地球本身了。实验的设计者希望生物圈２号中的空气、水，动物、植物和人能够在阳光的作用下实现物质的自循环。

　　这样一种循环的理念我们常常能够遇到。比如人们设想在航天飞机上放置一些植物，便可以在一定程度上实现氧和二氧化碳的自循环。又据说航天员的尿不能扔——好像也没有地方扔，经过处理后还要进入航天员的饮用水系统，这是水在一定程度上的自循环。

　　我们现在的所谓现代化的生存方式，也或强或弱地建立在这种自循环的理念之上。如前所述，现代文明就如一个马达，输入低熵状态的能量和物质，输出高熵状态的垃圾——广义的理解，包括固态的、液态的、气态的垃圾和纯粹的耗散热。文明越发达，马达的功率越高，制造垃圾的速度越快。我们身边的一切物品诸如手机、手表、电脑、电视、洗发液、洗涤灵、卫生巾、卫生纸等等等等，归根结底都是来自低熵状态的矿藏、原油、森林和天然水体……而考察其最终的去向，必然是高熵状态的垃圾！所以，每一个大城市的周围都有必然存在着若干巨大的垃圾填埋场。我们所谓的现代文明，就建在垃圾堆的旁边。

　　对于这个推理，一种常见的质疑是：你没有考虑垃圾的处理。比如有些人就强调，垃圾是放错了地方的能源和资源。言外之意，将来会发明出某种新的技术，可以把这些垃圾逐一回收，提取出有用的物质，循环利用。在这样一种物质自循环的理念下，文明马达的速度就取决于人类所能开发出来的能源，能源越多，这个自循环系统运转得越快，人类就能享受越多的物质。

　　这正是第三类永动机的美丽梦想！一旦这个未来的技术被开发出来，地球就变成一个东东３。

　　让我们回到生物圈２号。像生物圈２号这样的系统，可以称为半孤立系，它与外界没有物质交换，但是有能量交换，人们希望外界输入的能量能够维系其内部物质的自循环。这正是东东３的一个样本。东东３违反的同样是热二律，只不过比较隐秘，我们需要对热二律进行仔细分析才能发现。

　　热二律不仅规定了能量转化的方向，也规定了物质转化的方向。按照里夫金的说法：物质总是从可用的变成的不可用的。如果说东东２与热二律的能量转化方向相矛盾，东东３就与热二律的物质转化方向相矛盾。且让我们从物质的角度，重新考虑热二律。这是个被物理学教科书忽视的一个角度，我就不记得当年的热力学习题中有这样的题目。从物质的角度定义熵，也可以从其微观量子态的数目入手，这里不做物理上的具体阐释，只做一些说明。简单地说，物质从聚集态变成离散态，是一个熵增的过程。比如把一大块单晶硅切割成若干小片，虽然物质总量不变，但是熵增加了——即使我们假定对单晶硅的切割不需要能量，也会导致熵增——这部分熵增与所涉及的能量无关，可称之为物质熵。反过来，从前考虑的熵可称为能量熵。当我们把这一片片单晶硅分散到一个个电器之中，使得硅片与其他物质进一步混合在一起，会导致熵的进一步