论熵增过程的逆转和能量的永续利用

发表时间:2018/1/24   来源:《中小学教育》2018年第309期   作者:王学博
[导读] 完成熵减的自发进行关键是要选好能量与熵进行传递的媒介与方式。首先,选择透过性薄膜是最容易想到的。

王学博 秦皇岛市第一中学高二七班 河北 秦皇岛 066000
        众所周知,工业化程度日趋提高的现代社会面临着严峻的能源危机,而根据熵增定理和所谓的“能量退降”,可供利用的能源总有耗尽的一天。但是,笔者认为,作为一个统计定律,熵增加定律存在着明显的局限性,在人为的干涉下可以持续地进行逆转,即进行长时间的、人为可控的“全系统熵减”。此过程的重大意义在于可以把分散的能量集中利用,从而在根本上解决人类的能源危机。
         完成熵减的自发进行关键是要选好能量与熵进行传递的媒介与方式。首先,选择透过性薄膜是最容易想到的。如图1,物质A和物质B的混合溶液盛放在其他面封闭、底面只能透过A的薄膜容器中。


        在重力的作用下,A会透过薄膜与B分离,而如果表面张力小到可以忽略不计,那么我们可以轻松地证明,AB系统在能量不变的情况下完成了自发的熵减。
如果我们在一个“J”型管的两端封上最为常见的只能透水的选择透过性膜,管中装满物质C的浓水溶液,将管的长端浸入清水中,如图2,在理想状态下,清水将持续从管的长端流入,从管的短端流出,再落入清水中。
这样的一个循环过程,可以持续不断地将分散的内能转变为水的动能和势能,而我们可以轻松地利用这些能量做功。即使是现实中不够理想的条件,也只是对该过程的速度和效率造成一定影响,但把“不可利用的能量”集中并利用的结果是不变的。上述方式在技术上是完全可以实现的,并且其功率投入一定生产是完全可行的。

        下面我们来讨论一种从技术上难度更大但在实际现象中更广泛的一种过程。如图3,在气体D的环境中有一个极小的薄板L(薄板L的另一端可连微型发电机等)。由于分子运动的无规则性,板左右所受压力很难平衡,那么薄板必将时刻处于运动状态。薄板相当于将分子无规则运动的能量集中和放大了,使分散的能量有了集中起来对外做功的可能。


        结合上面两例装置,可以发现:当我们能够设法将粒子微观的相对无序的运动转化为物质宏观的、相对有序的运动时,便有可能将分散的能量集中利用,实现完全的“熵减”。而将熵增过程逆转也是人类未来发展最终一定要做的,因为这是人类文明发展的高级阶段阻止宇宙向无序演变所必需的。
另外,在社会发展的现阶段,上述装置对废热进行利用是相对高效和实用的。

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