能夠基於布朗運動製造永動機嗎？

01-05

布朗運動不就是「永動」的嗎？於是讓我們假設有很細小的超導鐵絲拴著花粉粒，然後花粉粒在水中進行布朗運動，無法停止。而此時在超導鐵絲的活動空間放一塊磁鐵，超導鐵絲在其中切割磁感線，那麼這樣是不是就能一直發電呢？
高中時困擾我的問題，望物理達人解惑。

必須說這是一個很聰明的設計，雖然你的永動機也是不可行的。

技術細節不討論，假設裝置可以搭成，超導鐵絲因為熱運動（你說的布朗運動）切割磁感線。熱運動是隨機過程，產生的電流也是隨機過程。

事實上隨便一根導線里，都有隨機且微弱的電流，是正常的背景噪音。為了利用這個電流，我們把超導絲接到一個用於做功的電路中去。

這個裝置是否能起作用呢？要分情況。

如果電路所處的環境與導線所處的環境存在溫差，是可以產生電能的。這在物理上叫熱電效應。這根本不需要超導鐵絲，花粉神馬的，常溫下適當的半導體就可以了。但是注意必須保持溫差，否則做功就會停止，因此這樣的裝置不是永動機。
但是如果導線和用於做功的電路所處的環境溫度相同，那麼不論你的材料是否超導，環境噪音製造的隨機電流不會顯著高於電路中的背景雜訊，因此是無法做功的。這樣一個裝置是第二類永動機，是違反熱力學第二定律的。

注意區別：前一種情況是兩個熱源，是熱機；後一種情況是單一熱源，典型的第二類永動機。

作為鼓勵，推薦你兩個原理類似的精彩的永動機：

http://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_Ratchet 著名的布朗齒輪，和你的想法原理幾乎一致，但必須保持溫差才能對外做功。

http://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%27s_demon 麥克斯韋妖，一個思想實驗

熱電效應的參考資料：http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect

想多了，不可能從單一熱源取熱，把它全部變為功而不產生其他任何影響。你的想法大致相當於」如果全中國每人給我一毛錢我不就成了億萬富翁了嗎「。

額，無限非概率驅動器？印象里那玩意只是讀取布朗運動狀態當運算元的……

熱力學第二定律本身是一條經驗定律，通過統計力學得到了很好的解釋。在某種意義上，它並不是一個鐵律，只是在大系統長時間尺度上，它成立的概率極其接近於一。拿著熱力學第二定律老和尚撞鐘一樣顛來倒去說不可能的，就沒有真正用過自己腦子好好想過這個定律為何成立，不過是拾人牙慧的死記硬背知識點罷了。

就你的問題而言，就花粉這樣的尺寸，是做不到永動機的，因為它還是過於宏觀了。

在分子水平上，小系統短時間內的永動機還是可能的，比如

Experimental Demonstration of Violations of the Second Law of Thermodynamics
for Small Systems and Short Time Scales，P H Y S I C A L R E V I E W L E T T E R S，Vol. 89, Iss. 5 — 29 July 2002

http://rscweb.anu.edu.au/~sevick/groupwebpages/papers/PRL89_050601(2002).pdf

Abstract:

We experimentally demonstrate the fluctuation theorem, which predicts appreciable and measurable
violations of the second law of thermodynamics for small systems over short time scales, by following the
trajectory of a colloidal particle captured in an optical trap that is translated relative to surrounding water
molecules. From each particle trajectory, we calculate the entropy production/consumption over the
duration of the trajectory and determine the fraction of second law–defying trajectories. Our results show
entropy consumption can occur over colloidal length and time scales.

Brownian Carnot engine,Nature Physics 12, 67–70 (2016)

http://www.nature.com/nphys/journal/v12/n1/pdf/nphys3518.pdf

Abstract:

The Carnot cycle imposes a fundamental upper limit to the efficiency of a macroscopic motor operating between two thermal baths. However, this bound needs to be reinterpreted at microscopic scales, where molecular bio-motors and some artificial micro-engines operate. As described by stochastic thermodynamics, energy transfers in microscopic systems are random and thermal fluctuations induce transient decreases of entropy, allowing for possible violations of the Carnot limit. Here we report an experimental realization of a Carnot engine with a single optically trapped Brownian particle as the working substance. We present an exhaustive study of the energetics of the engine and analyse the fluctuations of the finite-time efficiency, showing that the Carnot bound can be surpassed for a small number of non-equilibrium cycles. As its macroscopic counterpart, the energetics of our Carnot device exhibits basic properties that one would expect to observe in any microscopic energy transducer operating with baths at different temperatures. Our results characterize the sources of irreversibility in the engine and the statistical properties of the efficiency—an insight that could inspire new strategies in the design of efficient nano-motors.

如果水是孤立的，讓布朗運動做功會導致水溫下降

答在了這個問題里：永動機有可能成為現實嗎？ - 袁維的回答? ，全文如下

我認為永動機存在，但僅限於第四類永動機，第一類和第二類應該不存在。

　　首先，熵增在宏觀系統里似乎非常普遍，但是我認為我們現在在宏觀世界裡的對「混亂」的定義是錯誤的，即以符合某些人類可以識別的幾何模式，比如圓直線，這就是有序；對散亂的不符合我們認知的，就視為混亂。這種定義是主觀的，我認為可能也是錯誤的。

　　其次，即使宏觀里熵增定律沒問題，也不能推導出永動機不存在。因為我們這個世界分為微觀、宏觀和宇觀三個層次，三者試用的物理定律並不一樣，或者說還沒統一。所以宏觀下認為的熵增，在微觀下未必成立，比如熱二定律，實際上熱二是一個宏觀定律，因為溫度本身就是一個宏觀物理量，微觀里是沒有溫度這個概念的；在宇觀里，重力系統本身就是一個熵減系統，星雲變恆星，恆星進一步變黑洞，黑洞又有輻射，似乎是一個循環，熵恆定不變。

　　目前第一和第二類永動機都是宏觀永動機，而第四類永動機就是微觀永動機，也許有人又要引用那句駁斥麥克斯韋妖存在的話了，即「逐個鑒定/獲取粒子速度快慢的信息，需要消耗能量」。可惜這句話嚴重錯誤，錯了3點：

1、是否需要逐個鑒定，才能獲取準確的信息；

2、是否需要鑒定，才能分離粒子；

3、鑒定是否需要消耗能量。

　　第一和第二點，參考工地里翻砂的工人，他們為了拌好水泥，需要把沙子里的大石頭分揀出來，所以工地里往往有一個斜著支撐的鐵絲網，單人床大小，工人一鏟子把沙鏟過去，沙子和大石頭自然分離。注意，這裡工人鏟沙的能量只用於讓砂石運動，並不是用來獲取/鑒定信息的。

　　第三點，這個是最誤導人的，因為這句話里暗含了一個假設前提，即「能量是可以被消耗的」，因為這個前提，所以才會說出「需要消耗能量」這句話，而又由這句話推導出來熵會不斷增加，所以有效的能量被不斷消耗，所以可以利用的能量就越來越少。即先隱含假設能量能被消耗，然後說「獲取信息需要消耗能量」，然後最後證明有效能量會不斷減少。這就是標準的循環論證，打破它很簡單，就是換一個詞進去，即不用消耗，而是借用，即借用了能量後還可以還回去。

　　「逐個鑒定/獲取信息需要藉助有效能量，但因為只是藉助，所以將來還能還回去，因此有效能量永遠那麼多，所以永動機可能存在」，是不是發現同樣也可以成立？

　　所以，我個人認為第四類永動機即微觀永動機是有極大可能存在的。

===補充===

下面我駁的答主，都是正經回答問題的，內容很有料，相當不錯的回答，所以我才專門有針對性的予以解釋，並非針對個人。

1、駁答主「澤地」的概率說

　　概率只是統計，即意味著不對系統內部做麥克斯韋妖的那種干擾，在宏觀上統計是對的，但是在微觀層面未必正確。

2、駁答主「Belleve」的熱力學正確說

　　現實世界沒有公理系統，所以沒有正確一說，只有符合和更加符合這樣的程度和層次的遞進，所以物理世界沒有定理，只有定律，定律永遠只是定律是一個猜想和總結。

　　其次，熱力學並非正確，有其適用範圍，即宏觀，上面我做了解釋。

3、駁答主「傅韜」的物理定律有數學支持

　　牛頓力學也有數學支持；地心說也有數學支持，但這不意味著它們是正確的。「支持」一詞屬於錯用，應該用「目前符合」更為客觀精確。

4、駁答主「陳子涵」的守恆定律和可被證偽

　　首先，回歸上面的話，定律不是定理，定律並不代表正確和真理。守恆定律也不是絕對正確，實際上相對論就證明了能量不守恆，因為可以轉換為物質。可能又要說，質能整體是守恆的，可現在又出來真空能，而且事實是已經有實驗證明，真空中存在量子擾動，即憑空借出能量又換回。

　　所以，答主的「在時間平移不變性，能量守恆定律，熵增原理沒被推翻前，不可能」屬於邏輯錯誤，定律被推翻和永動機實現應該是等效/等價而不是因果關係，就好比牛頓的絕對時空概念並沒有被推翻，科學家就發現光速永遠守恆，後才有愛因斯坦的狹義相對論的相對時空。顯然，這個不過不是愛論推翻牛論，然後才能做光速守恆實驗。屬於嚴重的邏輯錯誤。

　　其次，卡爾波普爾的「可被證偽」看似非常高大上，忽悠了好多人，可惜實際是錯的，因為他既不是科學家也不是數學家。物理世界沒有公理系統，拿什麼證偽？拿真理嗎，真理就是公理，這是不可得的；拿現象嗎，現象是什麼，是用所謂的科學儀器(包括人類的器官)來驗證的，用科學的儀器來驗證科學，這不就是典型的循環論證么。最簡單的反例，科學如何證明我們不是「缸中之腦」，如何證明我們不在黑客帝國里？

　　再次，「永動機是不消耗能量而能永遠對外做功的機器。不是說一直在動就是永動機」，又是理解錯誤，詳查第一類，第二類...第四類永動機的定義，其中第四類永動機是微觀永動機，本質上應該對外吸熱，然後永遠做功的。

5、駁答主Darkwingslord，把定律看成了定理，視作了不可侵犯的天條。

6、駁匿名答主「熱力學第一定律和第二定律屬於無法被證明的經驗定律，它們之所以成為定律是因為數百年來所有的永動機方案都失敗了。」，核聚變目前的所有方案也都不太成功，還有很多微觀的理論，目前尚無法用實驗來檢驗。所以，失敗不代表什麼。

7、駁何明濤「龐加萊始態復現定理」，把復現等同於恢復到有序了，理解錯誤。就如同一堆粒子「從圓圈經歷足夠周期後，變為到三角」，圓圈和三角都是有序的，但圓圈不是三角，沒有復現，但恢復到有序了。當然，這個例子舉得不好，所謂有序無序並不代表標準幾何形狀，這裡只是便於理解。

8、贊雨亦奇，不錯，至少對於自己不懂的東西保持客觀，對於所謂的世間共識敢於質疑。很欣賞你的最後一段話。

首先，之前的答案存在問題。模型能讓水失去內能這個特性的本身就是第二類永動機的特性，它是不可能的。

其次，模型無法做功的原因不是水的內能減小，而是無規律的布朗運動產生的電壓會相互抵消(回憶下電流方向與切割磁感線的方向有關)，所以最終還是沒有電流產生。

最後，麥克斯韋妖的駁論進一步真實了第二類永動機無法存在。

你用的是「超導鐵絲」，那麼就得注意，對常見導體來說要達到電阻為零就需要降到絕對零度，而絕對零度下布朗運動就停止了

布朗運動來源於分子熱運動

如果分子熱運動做功會使其降低能量即變冷

冷到一定程度就無法繼續做功

這正是熱力學第二定律

熵太大了

那麼多回答，我認為都沒有說到點上。

先說結論吧，熱力學第二定律是正確的，你無法違背。這裡之所以有疑問，是因為還有一個溫度沒有考慮。並不需要用到多麼高深的物理——最討厭那些用高深物理來瞎逼逼的人。

要注意到，輻射也是有溫度的。如果背景輻射為0，那麼這樣發電是可以的，但是水的溫度會越來越低。然而，我告訴你，就算沒有線圈沒有磁針，如果背景輻射為0，那麼水也會自發輻射熱量出去，溫度自行降低。

然而背景輻射並不是0，比如地球上，背景輻射溫度就是當地溫度，水輻射出去的熱量和吸收輻射得到的熱量均等，溫度不變（忽略熱傳導）磁針也能輻射能量出去，但是背景輻射也會影響磁針，使得磁針吸收能量。所以，水溫不會降低。而且背景輻射也不會加強不會減弱，線圈得到的依然是那種漲落能量，和沒有磁針沒有布朗運動時一模一樣。

就是這麼簡單。

潛水這麼多年，第一次在知乎答題。看了這麼多回答，感覺都沒說到點子上。布朗運動的能量來自液體分子熱運動能，而地球上所有東西的分子熱運動能顯然都來自太陽能。所以即便解決了這種「永動機」的能量輸出問題，能量還是守恆的。

不可能。

費曼先生有個關於這個講義，叫做brownian racket。

從熵的角度，布朗是正熵，不可能做正功。假設A外部在連接一個溫度差的heat bath，

這樣可以可以做個熱動機。對於系統A，熵是負的，做正功；而整個熵還是正的。

如何從生命學來看，動物就是不停的吸取外界的能量，

從保證自己做正功，向著order的方向。

只是怎麼把無序的能量變成有序的能量。

內能是存在的，那麼通過什麼手段把無序的內能變成有序的電能呢？

內能損失了可以從環境中吸收嘛。並不違背什麼第二定律嘛！

布朗運動的本質是小分子（如水分子）的振動產生的不平衡力使顆粒發生運動，所以顆粒的運動能量來源於分子的振動，也就是分子的內能，宏觀表現就是溫度。

當然如果物理學是假的話，

如果你能抓到一隻麥克斯韋妖精就行了

樓主的思考和本人幾乎完全一致，與大部分人認為不可能不同，我認為這種接近第二類永動機的東西是有可能成立的，我不說別的證據，就發一篇4區的SCI文章鏈接，該文模擬認為這種永動機有可能實現，請對物理理解能力超過本文的人辯駁。

http://www.inderscienceonline.com/doi/abs/10.1504/IJNT.2013.058568?journalCode=ijnt

當然不可能了，首先布朗運動是：液體分子不停地做無規則的運動，不斷地隨機撞擊懸浮微粒，顯然是因為這些液體分子很「燥熱」，按耐不住，然後你把這個能量轉化為電能，能量被轉移，水的溫度會降低（內能嘛），溫度低到一定的溫度，布朗就不布朗了，你所知道的布朗運動是與外界一直存在熱量交換的。電磁感應是有阻力的，也會影響布朗運動。無規則的布朗運動導致的鐵絲運動方向，也會影響鐵絲在磁場是否有感應現象存在。別非這樣的腦筋了，能量守恆是物理學發展的基本定律，是哲學上都有很好解釋的，憑空怎麼會出來好多東西。