假設有一種能在常溫下催化水分解成氧氣和氫氣的催化劑,那是否可以製成一種永動機?


題主大概對催化劑的作用倍感驚嘆,所以你會有這樣一個跨領域的聯想,首先必須肯定這種跨領域思考問題的能力——只要堅持這種思維模式,注意是跨領域的思維模式,而不要鑽牛角尖,那必將有所成就。

為了讓網友們對催化劑也有一個了解,不妨讓我先來介紹下,催化劑的威力。

圖示:大象牙膏實驗:常用展示催化劑威力的一個有趣小實驗

基礎配方:酵母粉、水、洗滌劑、雙氧水。

原理:酵母中含有催化雙氧水分解的催化劑(酶),雙氧水分解為水和氧氣,於是就冒出大量泡泡。當然要做到圖中這個效果,還得加點顏料上的巧妙等細節。

酶是生物催化劑,主要是蛋白質,它們能大大加速化學反應的速度,能加速多快呢?這樣說吧,一杯糖水,如果在常溫常壓下往你鼓入空氣,要等到氧氣將水中的糖氧化成二氧化碳和水,大概需要數百上千年(有一門物理化學課,可以算化學反應的速度,所以不是隨口亂說的,雖然具體時間記不住了,但數量級是不會忘的,因為太驚人了,很難忘),但在我們身體中,幾個小時不到這些糖就轉變成二氧化碳和水了。

所以,難怪這位網友會想到,假設有一種催化劑能在常溫下就將水重新分解為氫氣和氧氣,那不就爽了,催化劑多牛逼啊,速度那麼快,完全能夠迅速實現循環。

但是,科學的美妙之處就在於它是一個自洽的體系,同時這也是一種限制,要用化學對抗物理是做不到的,因為它們看起來是兩個領域,但實質上彼此相通。

所以,當你看到催化劑不能做哪些事的時候,就會恍然大悟了。

  1. 催化劑只能促使化學反應達到平衡態,但不能改變平衡

  2. 催化劑只能催化熱力學允許的化學反應

關鍵就是第二條,什麼是熱力學允許的化學反應?那就是釋放能量的反應!

比如,演示中的那個動圖。雙氧水分解是一個放能反應。

但對人體有所了解的網友可能會說,不對啊,我們合成蛋白質、核酸這些重要的生命大分子的時候,可是要吸收能量的啊,為什麼催化劑又能催化了呢,比如DNA合成酶啥的。

那是因為,這些吸能反應一定伴隨著相應的放能反應,只要總反應是放能的就行。

即催化劑不能催化吸收能量的反應,除非伴隨著另一個釋放能量的反應。

所以,你看,這正是科學體系相通的美妙和限制。體系相通,你就能一門通百門通。

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首先應該肯定題主的敢想,敢說,對一件事的執著。也有敢於質疑的精神。但是任何科學研究一定要在主流的科學體系里進行,不然就會勞民傷財,浪費你的青春,到頭來肯定一事無成。

永動機是十八世紀歐洲工業革命時期,科學家經過長期研究而否定的東西,由此而產生了一個偉大的學科——熱力學三大定律。尤其是熱力學第二定律,科學家研究了卡諾循環,即使在最理想狀態下,熱也不可能完全轉化為功,而反過來,功能完全轉化為熱。也就是說,即使你做的機器再怎麼精巧,即使你的機器沒有了摩擦,也不可能製成永動機。科學的進步也是在不斷試錯的過程中前進的,既然這是一個死胡同,你何必再去失敗一次呢?這是其一。

其二,在化學上,你的假設是根本不可能的。你想,假如你的設想成立,水都轉化為氫氣和氧氣,那地球上生命還能存在嗎?看上圖,在化學反應中,必須能量降低才能進行,比如從A→C,如果要從C狀態變到A狀態,不可能自發進行。氧氣和氫氣→水,就是從A→C,是可以自發進行的。但倒過來,水→氫氣和氧氣,就是C→A,這是不可能的。為什麼,因為化學熱力學告訴我們,只有當自由能降低(ΔG<0)的反應,才能自發進行。那你可能要說,我是用催化劑呀,我說催化劑沒有用。什麼是催化劑?催化劑只能改變化學反應的速度(加快或減慢),不可能改變化學反應的方向。再看上圖,化學反應從A狀態到C狀態,先要經過B狀態,從A→B,這過程能量的升高E叫活化能,土話就是反應的門檻。而催化劑恰恰就是要降低這個門檻,使反應能較快地進行。而要使反應從C→A,催化劑毫無作用。怎麼辦?只能外界做功,比如電解水,理論上電解水能生成氫氣和氧氣:

陽極產生氧氣,陰極產生氫氣。但在實際上這樣的生產效率實在太差,大量的電力變成了熱量,為什麼?因為水的電阻實在太大。在工業中,氧氣是液化空氣來製取,而氫氣可以用水煤氣法生產,也可以電解食鹽水來生產(氯鹼廠的副產品)。

所以,做科學研究,一定要站在巨人的肩膀上,那麼多科學家進行不斷的試錯,堵上了許多死胡同,給我們可以探索的道路,為什麼還要去走一條死胡同,白白浪費我們寶貴的青春年華?有這個精力,還不如去看看美女。


首先題主要搞清楚催化劑是什麼

催化劑是一種能改變反應活化能的物質。所有反應都像進門一樣,都要通過一道門檻,這道門檻就相當於反應的活化能。而整個反應所需的能量則要看門檻前後地面的高低。

弄清催化劑的作用後,就可以解釋題主的問題了,如果我們現在發現這樣的催化劑的話,無疑能大大加快反應速率。但是不要忘記。化學反應中不會憑空產生能量,只不過是能量的轉化。因此,就算有這樣的催化劑,也要提供能量,比如光照、加熱等等。

換句話說,不管是氫氣、汽油或者電池,都只是能量的載體。


我不喜歡長篇大論,把問題說清楚即可。永動機不符合能量守恆定律,不存在。氧氣和氫氣燃燒能釋放多少能量,將水分解成氧氣和氫氣就需要多少能量,沒有多餘能量驅動機器。實際燃燒也好,分解也好,能量利用率都無法到達100%,也就是說不考慮驅動機器損耗的能量,燃燒和分解轉換次數越多,能量損耗越多,最後連自身化學反應都會停止,哪還有能量驅動機器?永動機不存在。


根據熱力學第一定律,不可能製成永動機!

但是如果機構可以自行從環境中吸熱,然後再做功是可以永動的!就是中國的喝水鳥!

氧與氫反應生成水放熱做功,水再吸熱生成氧和氫這種機構也存在!

就是第一型高溫氣冷堆!

它可以直接分解水蒸汽,產生氧氣和氫氣!

如果加上一個機構可以長期輸出功!

再生成水蒸氣!

可以長時間循環工作!

它消耗的是核能,不是物理學意義上的永動機!


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