基于随机热力学的石墨烯电池可以自己发电？

热力学是最古老的物理理论之一。18世纪和19世纪的物理学家，如卡诺，克劳修斯，吉布斯，亥姆霍兹和波尔兹曼，将它作为一个基石来研究由许多粒子组成的宏观系统的行为，如热量如何从一个系统传输到另一个系统，以及发动机如何工作等问题。

从热力学中，我们得到这样的定律：不存在永动机。

与力学定律或许多场论不同，热力学总是被认为是包含严格事实上的定律。主要的定律是：

• 能量既不能创造也不能毁灭。
• 熵永远不会减少。

这里有限定词。在第一定律中，系统必须是封闭的。对于第二种情况，我们讨论的是将两个或更多孤立的系统组合在一起。

能量守恒是我们宇宙的时间平移对称性的结果。物理定律中的所有时间都可以以一个恒定的量移动。这是从埃米·诺特定理得到的。任何物理定律都不能破坏能量守恒。

第二定律是物理学的“事实”定律。在其他人可能使用“统计”一词的地方，我用这个术语。但是，与社会学等其他领域相比，说统计是偏保守的。直到大约25年前，才认识到违反第二定律是不可能的。

卡诺的发动机效率定理源自这些定律。他定理的结果是，如果两个系统处于相同温度（处于平衡状态），则效率为0％，没有任何运动。

热力学第二定律的一个问题是，它与另一个严格的物理定律相冲突：即所有物理过程都是时间可逆的。粒子的任何向前运动轨迹都可以以同样的方式向后运动。

如果是这样的话，为什么像第二定律这样暗示不可逆过程存在的定律也存在呢？

物理学家们为此争论了几十年，直到1993年埃文斯和他的团队提出了一个可能的解决方案，称为涨落定理。涨落定理为热力学第二定律提供了一个例外，即使在所谓的不可逆过程中也允许可逆。

本质上，它说的是随着时间的延长熵增加的可能性呈指数增长。因此，第二定律不再严格，只是指数概率。（指数概率分布极快地趋近于0或1，使它看起来几乎是确定无疑的）。

这个被力学证明的定理为一门新的科学打开了大门：随机热力学，在过去的二十年里，它已经被多次实验证明，每次都有更惊人的结果。

阿肯色大学的一个团队本月发表的最新证明可能是最令人惊讶的：石墨晶片的“平面外”热运动能产生电能。

乍一看，这是一台永动机，但其背后的理论是合理的。其基本思想是任何系统都将熵（热量）与环境交换。当系统与其热源的接触处于平衡状态时，使得能量在任何方向上的交换都是均等的，而系统的其他部分可以远离平衡状态。这意味着在很短的时间内，系统可以在达到平衡状态时做有用的功。

然而，如果它们非常小，由几个单独的粒子组成，它们永远不会保持完美的平衡。相反，它们会经历随机的波动，从而使它们远离平衡状态。石墨烯的情况就是如此，即使在完全真空中也会受到量子效应的涨落。

尽管这项研究的作者在新闻媒体上声称他们可以从热波动中获取能量，但他们还没有证明他们可以储存能量。相反，他们的实验通过电阻器将其作为热量散发出去。时间会告诉我们，这样是否能获得真正的能量。

他们计划将能量储存在一个微型电容器中，作为下一次实验。希望能在以后的时间通过释放电容器的能量来驱散它。

一种思考方法是，你并不是真的在创造永动机。相反，你是从系统的热力学平均周围的方差中提取能量。换句话说，通过使一个系统在一些波动后更快地回到平衡状态，我们可以做有用的功。

然而，随机热力学背后的科学远远超出了从布朗运动中获取能量的范畴。这是一个从根本上更复杂和连贯的热力学理论，它考虑如何使系统达到平衡并保持它，当系统连接到多个热源而不是一个时，会发生什么，就像石墨烯被连接到它的储热器和电路一样。

随机热力学结合了两个基本概念：作为经典热力学基础的普通统计力学和对理解发动机和控制系统等非平衡统计过程至关重要的马尔可夫过程。

当平衡统计力学忽略时间时，马尔可夫过程是一种表示随机过程如何随时间变化的方式。结合这两种情况，我们得到了对动态过程的描述，在很长一段时间内，它可能具有平稳的统计状态，但在很短的一段时间内，偏离平衡状态的概率是非零的（但指数小）。

马尔可夫过程描述平衡系统的一个关键性质叫做详细平衡，它来自于一个叫做主方程的东西。主方程表示随机系统如何从一种状态过渡到另一种状态。详细平衡的概念是，如果一个系统有两种状态m和n，那么它从m到n的转换概率和从n到m的转换概率是一样的，也就是说，一个方向的转换概率和另一个方向的转换概率是一样的。这是平衡的基本表述。

为了让马尔可夫过程做功，它必须在短时间内打破详细的平衡。违反详细平衡表现为一种力量，因为它们增加了状态向一个方向而不是另一个方向转变的可能性。这个思想是非平衡过程的基础，但我们现在知道它也适用于“平衡”过程，因为在现实中，不存在任何时间尺度下的平衡，也就是说，平衡不是比例不变的。

这一理论帮助阿肯色大学的研究小组证明，石墨烯粒子在布朗运动下可以产生电能，然后通过一对二极管将交流电转换为两种直流电，并在一个电阻器中耗散。这个理论是，如果布朗运动能产生这样的直流电，它就能在其他东西中消散，可能在以后，比如为微芯片或小型LED供电。

事实上，这已经不是第一次在实验中看到微观“发动机”了。2016年，一个西班牙团队发表了一份关于布朗发动机的调查报告，该发动机的热波动造成了与热力学第二定律的偏差，使得热平衡状态下也能做功。他们观察到一个被困在水中的聚苯乙烯粒子，观察到它如何违反了卡诺发动机效率定律。

由此，我们有可能制造出大量的纳米级发动机阵列来产生能量，尽管捕获这些粒子所需的能量和费用可能会超过它们产生的能量。而石墨烯可能提供了答案，因为它的粒子被困在碳分子的晶格中。然而，实际应用可能还很遥远。实验中产生的电量为万亿分之一瓦，所以你的下一代iPhone用石墨烯自己发电的可能性很小。