现在一说到永动机，大家想到的结构只有一种，那就是—— 虾扯蛋

但你知道人类花了多大力气才发现这东西很扯淡吗？也正是钻研这个扯淡的东西，热力学才能不输给化学物理，迎来自己在科学上的进步。 下面混子哥就给大家讲讲—— 想要永动机，咋还得出了能量守恒？ Part 1　我想要台永动机 早在 13 世纪，就有人认认真真搞永动机，搞出来的造型也是千奇百怪。

他们都想达到根本停不下来的效果，但最后嘛……

就连达·芬奇也研究过这玩意儿，几次碰壁后，他得出个结论：

但至于为什么不可能，达·芬奇也说不出个一二三，所以没法阻挡后人探索永动机的热情。
后来蒸汽机横空出世，大家一看，好猛啊，只要给它加热，连火车都能带跑！

可无论怎么猛，都得烧煤啊，多不节能环保！于是就有人动了小心思：

要想让蒸汽机变成永动蒸汽机，就得从根源入手，杜绝热的输入。 那么问题来了： 热是啥玩意儿呢？

不是吧，你不会觉得热就是温度吧？ Part 2　此热非彼热 一说到热，手就立马伸向空调遥控器，再往沙发上一摊，冰激凌一吃，完全不把窗外的太阳放在眼里。

那咋知道太阳底下多热、空调底下多凉快呢？答案是你得有个神器：

17 到 18 世纪，很多人发明了测量温度的方法，瑞典人摄尔西斯就是其中之一。
小摄把冰水混合物的温度设定为 0 度，烧开的水定为 100 度，再把中间分成一百份，这样就得到了温度的计量标准。

为了纪念他，这种温度单位就叫摄氏度。

摄氏度毕竟是人为设定的，太任性，后来开尔文勋爵用绝对零度为起点，建立了更科学的开尔文温度。 开氏度 = 摄氏度 +273.15。
虽然温度能测量，但人们发现温度只能表明你的冷热，不能解释物体之间热的传递过程。
比如两块煤都挺烫手，温度相同：

但块头不同，加热的效果就不一样。

也就是说，温度和热量其实是两回事，同样的温度，能热出不同的效果。

那热量不是温度又是啥呢？ Part 3　热量是一种物质吗 以前条件不行，人们理解世界的方式比较直观，说白了就是用眼瞅，然后连蒙带猜，最后总结。

在观察热的时候，有人就大胆设想，觉得热好像是个东西，藏在物体里，还能流出来。

于是在 1783 年，英国化学家普里斯特利提出了一种理论—— 热质说

意思就是，热是一种看不见的物质，藏在物体里伺机而动，哪天物体表面一裂开，它就蹿出来给你温暖，从高温处流向低温处。

热量喷薄而出的感觉，就像——

18 世纪时，热质说相当火，著名化学家拉瓦锡还把热质列入元素表中。
但很快有人发现了热质说的漏洞。
这个人叫伦福德，在兵工厂上班。 他给炮筒钻孔时，发现只要一直摩擦，炮筒就能一直发热。

他突然想到，铁根本没裂开，没流出热质，可咋就这么烫了呢？

摩擦生热，这赤裸裸的现实，直接让热质说站不住脚，这才让大家觉得热质说不靠谱。
虽然热质说不对，但到今天，它的影响仍在，你听，一大拨小姐姐还在呼喊它的名字：

热质（caloric）这个词后来演变出了卡路里（calorie），四舍五入也算是为流行文化做了贡献。
关键是确定热质说不靠谱之后，大家还是没明白，摩擦和热有啥关系呢？ Part 4　摩擦的奥秘 解开这个谜团的，就是传说中的焦耳。

焦耳小时候没有受过正规教育，但他比较幸运，遇到了化学家道尔顿。 在道尔顿的引导下，焦耳学会了搞科学实验。

成年后，焦耳经营自家的啤酒厂，生意做得风生水起，但他并没放弃搞科研。

为了探究摩擦生热的真相，焦耳发挥特长，动手做了实验。

在探究实验前，咱首先得明白一个概念：啥是做功？ 一个力让物体在施力方向上移动了一段距离，我们就说这个力对物体做了功。

做功在生活中随处可见。
比如老王去搓澡，师傅用 30 年的功力给他搓背，那就是对老王的美背做功。

所以，摩擦可以做功。 那做功和热又是啥关系呢？ 做实验时，为了方便测量做功的多少，焦耳请了一位免费的大神帮忙： 重力

重力逮着谁都往下拉，苹果掉地上，就是因为重力。
知道物体多重和下落多高，就能算出重力做功多少，So easy。

为了把做功和热扯在一起，焦耳研发了一套装置：

重物通过绳子，与隔热杯里的叶片连接。
然后，焦耳开始了他教科书级的实验。
在重力作用下，重物下落带动叶片转圈圈，搅动水，这一摩擦，就引起水温升高。

通过重物下落可以测做功多少，通过水温升高可以测热量。 经过多次实验后，焦耳最终得出结论：

这就是著名的热功当量实验。

实际上当时的实验条件有限，具有一定的误差。
更精准的换算是：1 卡 =4.184 焦。
实验证明，热不是物质，而是一种能量。 热和做功其实是一回事，只不过造型不同。

时至今日，人们仍习惯用卡路里表示热量，但在国际单位制中，热量和功都用焦耳做单位，所以要想「国际范」一点，小姐姐们应该喊：

这个实验够经典够劲爆吧？但当时英国皇家学会根本不理他。
因为当时焦耳还只是个科研爱好者，人家觉得他太业余，拒绝刊登他的论文。

1847 年，在英国科学促进年会上，焦耳瞅准机会做报告，但只能口头讲述。
正是这场脱口秀，让他圈粉不少，其中有个大佬连连点赞，就是前面说的开尔文。

随着物理学发展，焦耳实验也受到更多关注与认同，后来有个叫亥姆霍兹的科学家，对实验做了系统总结。
能量不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式。

或者从一个物体，转移到其他物体。

在转化过程中，能量总量保持不变。

这就是传说中的能量守恒定律，也叫热力学第一定律。

实际上，同时期其他科学家也提出类似的理论，例如德国的迈尔，他最早发表了相关论文，焦耳的实验为理论提供了完整的实验证据。
那这一定律和永动机有啥关系呢？

其实能量守恒说明了一个道理：水是有源的，树是有根的，万事万物都是有原因的，比如：

一切都是有源头的，在地球上，万物生长靠太阳，要想输出，就必须有输入。
所以说第一类永动机，从根本上就是不存在的。

但是，人的想象力可能不那么守恒。
虽然第一类永动机彻底玩儿完，但又有人天马行空畅想，提出了能够不违背能量守恒定律的第二类永动机。
第一类不行，第二类靠不靠谱呢？ 先来举个小例子 老板总会对员工抱有这样的幻想：

如果不能——

当然，这样的异想天开不只老板会有，19 世纪初，工程师们对蒸汽机也有这样的期待。

如果不能——

把吃的饭全用来干活，一点不能偷懒摸鱼，效率 100%，这就是第二类永动机。
也怪不得他们思想跑偏，毕竟当时蒸汽机的效率只有 3% 到 5%。

面对四舍五入等于白干的效率，当时的工程师们纷纷思索： 热机的效率能否达到 100%？ 想让热机干活效率高，又不能让它学时间管理，那就得从热机本身开始搞起。
Part 1　卡诺的热机 第一次工业革命时期，蒸汽机稳站中心位，工作起来相当有节奏感。

即便是当红辣子鸡，也不妨碍蒸汽机当摸鱼达人，可不就急坏了领导，愁坏了工程师？

为了提高效率，英国工程师们琢磨出一个方案：改善伙食，把蒸汽换成酒精啥的。
吨吨吨吨吨吨吨吨吨吨——

当时科学刚起步，工程师们搞改进完全靠拍脑袋想，没有理论支持，改出来的全没用。
他们没折腾出啥结果，这时，另一位不走寻常路的工程师出场了，他就是：卡诺。

要干就干票大的，独宠蒸汽机不行，卡诺想雨露均沾，整一套对所有热机都适用的理论。
等下，啥是热机呢？

热机 就是像蒸汽机一样，靠烧煤等产生的热量干活的机械。
改善伙食这个办法肤浅得很，要透过现象看本质。 于是卡诺另辟蹊径，将热机拆开——

1824 年，卡诺完成《关于火的动力》一书，提出了卡诺定理和卡诺热机的概念。
他研究出了啥结果呢？ Case 1　热 卡诺觉得热机这玩意儿，靠热量工作，工作效率和给它吃啥喝啥没关系。

所以研究的重点应该是热。 可热是啥造型呢？ 当时大家普遍接受热质说，认为热就像火锅汤，是一种能流动的物质。 受大环境影响，卡诺也这么想，他觉得，热动力和瀑布一个道理：

瀑布动力强不强，要看上游和下游的高度差。
水往低处流，热往凉处走，热是从高温流向低温的，这高低温两兄弟的正经叫法是：

卡诺把热质比作水，高温热源站在上游，向下游的低温热源抛出一波热质，热质在自由奔跑的过程中，顺便推动了机器转动。

这波热质的动力强不强，要看高温和低温热源的温度差。
蒸汽机工作时，热量从煤里跑到冷凝器里，顺便推动了活塞，在卡诺看来，就是这个原理。

原理就是这么回事，脑子会了，但是实际操作起来，热机有自己的想法。
Case 2　机 每一台热机都有自己的脾气，不但零件多，工作时的温度和摩擦力还都不一样，不好研究。

现实中拿它没辙，卡诺觉得可以在脑海里 PK，毕竟——

于是卡诺开启头脑风暴，去掉热机里乱七八糟的干扰因素，提炼提炼，从热机中得到一个简单的循环：卡诺循环。

依据这套循环，卡诺想出了一种理想热机，以理想气体为工作物质，几乎只需要汽缸、活塞加个热源，就能动起来。 它就是：卡诺热机。

卡诺的理论，明显有爆款的潜质，去繁从简，只留重点，

，总之浓缩的才是精华。

可惜的是，在理论还没成为爆款前，卡诺就感染霍乱去世了，因为这病有传染性，他的大部分文稿也被销毁了。

老话说得好，在家靠父母，出门靠朋友，好在卡诺还有个师弟，继承了他的思想，让卡诺热机这根独苗没有断掉。

Part 2　卡诺的师弟 卡诺的绝版滞销书《关于火的动力》，在卡诺去世两年后，才获得第一位认真的读者。

克拉珀龙卡诺翻译机。
他就是卡诺的师弟。

后来，克拉珀龙发表了论文《关于热的动力》，用数学语言翻译了卡诺的理论。

看完这张图后，再看着我的眼睛告诉我，你能看懂吗？就知道你看不懂！那就让哥来去繁从简、只留重点地给你讲讲。
其实这张图说的是热机工作过程，热机工作靠气体，我们叫它阿气。 阿气有个特点： 遇热就膨胀，元气满满；

遇冷就收缩，瞬间打蔫。

正是靠着这点天赋，它被请到汽缸里工作，具体的工作分为四步：

Step1　工作奋斗期 小火一点，汽缸吸热，里面的阿气膨胀，保持跟小火一样热，干劲十足，上顶活塞，这个过程叫等温膨胀。

Step2　热情消耗期 小火下班，但阿气刹不住车，继续膨胀，胀得累了，消耗热情，温度也降低，这叫绝热膨胀。

Step3　压力山大期 这时活塞反弹，阿气没加热，顶不住，只能被压缩。 虽然它一压就变热，可这热量被低温热源吸走，相当于没变热，这叫等温压缩。

Step4　回炉重造期 系统绝热，阿气被压缩，边压边变热，热到最初的热度，这叫绝热压缩。
等精神小火一来加热，这四步又可以循环动起来。

当然，这几步不是为了直播阿气的社畜生活，而是结合热力学理论一顿推导，得出了卡诺循环的效率：

通过公式我们知道，要想使效率接近 100%，办法就是：

然而事实却是：

虽然效率从 5% 翻身成 100% 是不可能了，但有了卡诺定理，就有了提高热机效率的路子。
这就像一个能考 5 分的学生，你给了他解题公式，就算考不了 100 分——

看了卡诺循环的过程，有些眼尖的同学发现了漏洞：

欸？散热过程有热量损失啊，这不是浪费吗！ 如果去掉这一步，效率可不就达到了 100%？把热量 100% 利用，这可不违反能量守恒定律吧。

人们由此追求第二类永动机，但直到一位大神出现，大家才发现又多想了。
Part 3　克劳修斯的热力学定律 这位喜欢研究热的大神，叫克劳修斯，他是把卡诺理论拿来扒了扒，最后来了个经典总结—— 热量不能从低温物体传向高温物体，而不引起其他变化。

这就是热力学第二定律。
克劳修斯的这个定律不能在宏观世界内用理论证明，只能通过实验寻找反例，但到现在，我们都还没在现实世界找到反例。

接着开尔文也提出了类似的观点，开尔文认为，热不能 100% 转变为功。 他和克劳修斯是热力学的两位主要奠基人。 其实，克劳修斯表述与开尔文表述是等价的，统称为「热力学第二定律」。
这个定律是咋推翻第二类永动机的呢？

咱先假设有台神奇的发电机，能把从空气中吸的热量全变成电，不散热，转化效率 100%，相当于第二类永动机。
当它和一台空调合作时：

发电机首先抓住一份热量，然后把它全变成电传给空调，空调有了电，直接开工，吸收屋里的热量。

根据能量守恒定律，有多少能量进入空调，就有多少能量出来。
进入空调的能量是电和吸的热，而电耗完了又变成没啥用的热量，所以会和刚吸的热量一起被排出去。

排出的热量又被发电机回收发电，回收完发现，哎呀，还多出一份热呢！

这样循环下去，外面只会越来越热，屋里只会越来越冷。

看到这儿你可能会问：

要注意，这里的发电机和空调是一个整体，它们不仅能把热量从低温向高温传递，还不会有任何损失。

这么神奇，明显违反了克劳修斯说的热力学第二定律，所以不可能存在 100% 效率的机器。

这就从理论上证明了第二类永动机不可能实现。 后来大家又从微观世界证明了这点。
咱们更换片场，到微观世界去看看。

固体分子和气体分子的排列方式不同。
固体分子的排列就像仪仗队乘地铁，整齐而又拥挤。

推动固体时，固体分子的动作整齐划一，比如拍板砖，用多少力拍，就有多少力打出去。

而气体分子的排列，就像疫情期间的电影院，一个座位坐人，一个座位放包，保持着安全的社交距离。

等温压缩时这么一推，海景房变蜗居，这谁受得了？于是它们之间会撞来撞去。

这一撞一摩擦，它们气得冒烟，必须散热才能消停，这就产生了能量损耗。

看见了吗？此过程中能量损耗无法避免，所以热机散热的这个步骤也是无法省略的。

其实我们上面讲的，是从熵的角度来解释，熵的概念也是克劳修斯提出的，这部分信息量较大，咱日后再讲。
总之，经过人类的探索，发现要想让热机工作效率达到 100%，无论在实践中还是理论上，都不可能。