技术领域
[0001] 本
发明属于物理实验装置领域，具体涉及一种
热力学系统中运动转换实验装置。
背景技术
[0002] 早在1901年，用
布朗运动实验证实了
原子存在的佩兰已指出布朗运动是一种可逆过程，因此会导致短暂或局部的熵减，而这无疑对热力学第二定律提出有力质疑。但众所周知，之后对此(涨落导致的熵减)进行的研究就销声匿迹了。因为普遍认为热力学第二定律是一种统计规律，仅适用于大范围情况。既然是“统计规律，适用于大范围情况”那么为什么没有进一步深入研究微观过程呢？导致这一
进程终止的就是“麦可思韦妖”的出现及影响。1867年麦可思韦在致友人泰特的信中提到“一个有限的生灵，它单凭观察就能通晓所有分子的轨迹和速度，但除了
开关一个小孔外，不能做功。它守住容器界壁上的小孔，让快速运动的分子单向穿过小孔，导致热的部分变得更热，冷的部分更冷。无需做功，只用了一个敏于观察、
手指灵巧的生灵所具有的智能。”这一生灵被开尔文称之为“妖精”。
[0003] 麦可思韦妖的实质是微观颗粒从无序运动到有序运动的引导者。
[0004] 这也是为什么开尔文强调“妖”的三个方面：生气勃勃，尺寸微小和具备智能。但最终那个时代的科学家得出结论：麦可思韦妖接收有关分子快慢的信息之后，再通过闸
门来使快慢分子分离来减少系统的熵，但信息的取得同样会使系统中的熵增加，最后相互抵消。正是这一结论的得出，使对麦可思韦妖的思考先入为主的与“信息取得必须消耗
能量”相关联，从而使对布朗运动可逆过程的研究无意义可言而停滞不前。
[0005] 所以，由于种种原因导致了前人对微观颗粒从无序运动到有序运动的设想最终并没有得到验证及肯定。
发明内容
[0006] 为了解决上述问题，本发明提供了一种热力学系统中运动转换实验装置，该实验装置用于验证微观颗粒从无序运动到有序运动的设想。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
[0008] 一种热力学系统中运动转换实验装置，主要包括底座、循环运动装置、多个分布在循环运动装置周围的弹性柱体以及与弹性柱体对应的障碍体，所述循环运动装置及弹性柱体均与底座活动连接，所述障碍体均设置在弹性柱体的同一侧，弹性柱体在外力作用下转动时，障碍体用于限制弹性柱体，使弹性柱体单向撞击循环运动装置。
[0009] 进一步的，所述循环运动装置为一圆盘，圆盘通过主
转轴与底座活动连接，弹性柱体通过对应的侧转轴与底座活动连接。
[0010] 进一步的，所述圆盘由硬质材料制成。
[0011] 进一步的，所述圆盘与弹性柱体均通过
滚动轴承与对应的主转轴和侧转轴连接。
[0012] 进一步的，所述循环运动装置为带传动机构，主要包括传送带及带轮，带轮通过对应的主转轴与底座活动连接，传送带两端安装在带轮上，弹性柱体通过对应的侧转轴与底座活动连接，弹性柱体单向撞击传送带。
[0013] 进一步的，所述带轮与弹性柱体均通过
滚动轴承与对应的主转轴及侧转轴连接。
[0014] 进一步的，所述弹性柱体由能恢复形变的弹性材料制成。
[0015] 进一步的，所述障碍体为刚性柱状结构，底端固定在底座上。
[0016] 本发明一种热力学系统中运动转换实验装置，该实验装置是按照理想机器经放大后制作了一个肉眼可正常观测的模拟装置，由于同为宏观物体的装置，并遵循经典力学的规律，那么就可以认为布朗颗粒大小的装置与肉眼可观察的装置具有完全的等同性。本实验装置可以通过定轴转动的弹性柱体单向撞击循环运动装置，使得循环运动装置(转盘、传送带)持续单向运动，以这样的方式把“一个气体系统中的涨落转化为定向转动的机械能”制作的一个放大模型，并成功的模拟了其过程，证明了“微观颗粒从无序运动到有序运动”的正确性，本发明具有结构简单，喻理直观，清晰明了的有意效果。
附图说明
[0017] 下面根据附图和
实施例对本发明作进一步详细说明。
[0018] 图1是本发明一种热力学系统中运动转换实验装置一实施例的主视图；
[0019] 图2是图1的俯视图；
[0020] 图3是图2中沿着A-A方向的剖视图；
[0021] 图4是图2中沿着B-B方向的剖视图；
[0022] 图5是本发明一实施例起始状态图；
[0023] 图6是弹性柱体单向撞击圆盘一段时间后的状态图；
[0024] 图7是本发明一种热力学系统中运动转换实验装置一实施例的理论原理图；
[0025] 图8是图7的局部图；
[0026] 图9是布朗颗粒与圆盘碰撞作用力图示；
[0027] 图10是圆盘在布朗颗粒冲力作用下转过的
角度；
[0028] 图11是本发明一种热力学系统中运动转换实验装置另一实施例的结构示意图。
[0029] 图中：1-底座；2-圆盘；3-弹性柱体；4-障碍体；5-滚动轴承；6-主转轴；7-侧转轴；8传送带；9-带轮。
具体实施方式
[0030] 实施例1
[0031] 如图1-4所示，本发明实施例所述的一种热力学系统中运动转换实验装置，主要包括底座1、循环运动装置、多个分布在循环运动装置周围的弹性柱体3以及与弹性柱体3对应的障碍体4，循环运动装置及弹性柱体3均与底座1活动连接，障碍体4均设置在弹性柱体3的同一侧，弹性柱体3在外力(布朗运动)作用下转动时，障碍体4用于限制弹性柱体3，使弹性柱体3单向撞击循环运动装置。
[0032] 一种优选的实施方式，循环运动装置为一圆盘2，圆盘2通过主转轴6与底座1活动连接，弹性柱体3通过对应的侧转轴7与底座1活动连接，圆盘2由硬质材料制成，优选为尼龙或金属材料制成；圆盘2与弹性柱体3均通过滚动轴承5与对应的主转轴6和侧转轴7连接；弹性柱体3由能恢复形变的弹性材料制成，优选为聚
氨酯棒，障碍体4为刚性柱状结构，底端固定在底座1上。
[0033] 如图5-6所示，以人手不断的拨动弹性柱体3，弹性柱体3在顺
时针转动时因受障碍体4的阻挡不能与碰撞圆盘，当逆时针转动时，弹性柱体3不断与与圆盘碰撞，并导致圆盘持续顺时针旋转，这也就意味着，弹性柱体3的
动能转化为圆盘的机械能。
[0034] 实验装置的实验原理：针对热力学系统中运动转换即布朗运动导致一个孤立热力学系统熵的减少的理论推导如下：
[0035] 以
真空系为例，首先对图7、图8理想实验做假设，如图7所示：
[0036] 图中：B为真空系统；k1-m：阻止布朗颗粒逆时针与圆盘碰撞的障碍点；a1-m：长方体完全弹性布朗颗粒；O：无
摩擦力可转动的刚性圆盘。
[0037] 1.首先假定圆盘O为刚性可无摩擦力转动的圆盘，布朗颗粒a1，a2，a3，a4······am为完全弹性物体，碰撞后可恢复形变。
[0038] 2.圆盘O可以是一个圆柱体，而布朗颗粒可以沿圆柱体表面无限分布。
[0039] 3.圆盘O是系统B中的可绕轴心无摩擦转动的宏观刚性圆盘，它的尺寸比布朗颗粒大出若干数量级。
[0040] 4.长方体布朗颗粒a1，a2，a3······am是与系统A(系统A为充满气体的热力学孤立系统)中布朗颗粒相联动，并假定其中心
位置由一无摩擦力的转轴固定，因联动而不停的做布朗运动(摆动)。
[0041] 5.图8为图7的局部放大图，我们假定圆盘O与布朗颗粒a之间的固
定位置(距离)，可以确保a因做布朗摆动而不停碰撞圆盘O，碰撞点为P。
[0042] 6.图7中K点为障碍物4，K的作用是阻止所有布朗颗粒逆时针碰撞圆盘O，但不影响顺时针的碰撞。
[0043] 下面来阐明这个理想实验的过程及结论。
[0044] 如图9所示，首先考察a1因做布朗运动与圆盘O在P点的碰撞。
[0045] 在a1与圆盘O短暂的碰撞时间Δt内，必然产生一个冲力，圆盘O在冲力的作用下，转化一个极小角度 (就如同气体中悬挂的反射镜偏转)。由于冲力是变力，它随时间变化的关系难以确定，为讨论方便，我们取冲力的平均值。(见图9、图10)[0046] 图9中：r为从圆心o至碰撞点p的半径；F为碰撞时的作用力；F2为垂直作用于r的分力。
[0047] 图10中，P为力的作用点； 为圆盘转过的弧度； 为点p的位移。
[0048] 见图9，垂直作用于r的分力F2推动圆盘O转过一个角度 分力F2
[0049] F2＝Fsinα
[0050] 由于冲力是变力，随时间变化的关系难以确定，况且此问题并不需要了解每一时刻力的变化，因此也就不需变力矩所做功
[0051]
[0052] 来处理，那么在此过程中力矩为
[0053] M1＝rFsinα
[0054] 则a1对圆盘O所做功为
[0055]
[0056] 同样在Δt时间内，布朗颗粒a2，a3······an的冲力对中心O的平均力矩分别为M2，M3……Mn，则分别做功为
[0057]
[0058]
[0059] ……
[0060]
[0061] 在Δt时间内，n个布朗颗粒做功为
[0062]
[0063] 力矩M说明，正是由于大量布朗颗粒运动的矢量性，才导致上式的成立。
[0064] 根据热力学第一定律，n个布朗颗粒所做功WB只能来自于系统A，则有，[0065] WB＝-ΔUA
[0066] ΔUA为系统A的内能的增加。上式WB＝-ΔUA说明系统A中的内能转化为布朗颗粒对系统B的做功WB，并使系统内部
温度[0067] TB＞TA
[0068] 而此过程在时间上是无限的，以上结论证明，一个孤立热力学系统熵在减少。
[0069] 由上述推导使我们充分认识到有关布朗颗粒大小的理想机器，实质是区别于分子的宏观物体的装置，我们据此按设想的理想机器经放大后制作了一个肉眼可正常观测的模拟装置即本发明一种热力学系统中运动转换实验装置，由于同为宏观物体的装置，并遵循经典力学的规律，那么就可以认为布朗颗粒大小的装置与肉眼可观察的装置具有完全的等同性，放大后的模拟实验装置用圆盘2代表上述无摩擦力可转动的刚性圆盘O，用弹性柱体3代表上述长方体布朗颗粒a，用障碍体4代表原设想机器的障碍点k，通过图5、图6的实验验证同样得出上述结论：一个孤立热力学系统熵在减少，即微观颗粒从无序运动到有序运动。
[0070] 实施例2
[0071] 如图11所示，本实施例与实施例1的实施方式基本相同，不同之处在于循环运动装置为带传动机构，主要包括传送带8及带轮9，带轮9通过对应的主转轴6与底座1活动连接，传送带8两端安装在带轮9上，弹性柱体3通过对应的侧转轴7与底座1活动连接，弹性柱体3单向撞击传送带8，带轮9与弹性柱体3均通过滚动轴承与对应的主转轴6及侧转轴7连接。
[0072] 以人手不断的拨动弹性柱体3，弹性柱体3在逆时针转动时因受障碍体4的阻挡不能与碰撞传送带8，当顺时针转动时，弹性柱体3不断与与传送带8碰撞，并导致传动带8持续前行，这也就意味着，弹性柱体3的动能转化为传送带的机械能，同样得出上述结论。
[0073] 本发明所说的循环运动装置并不限制于圆盘或带传动机构，也可为其他形式的循环运动结构。
[0074] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行调节，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
