题目

为什么内能不能完全转化为机械能?
机械能是可以完全转化为内能的，为什么反过来就不行。是不是能量存在一种等级，从高等级向低等级转化可以完全，反之则不行。而机械能等级高于内能。有对能量等级相关知识有了解的朋友，请赐教，感激不尽！

提问时间：2020-08-02

答案

这个问题有点复杂.
我们通常说“机械能可以完全转化为内能,而内能不可完全转化为机械能”,这句话的后一半是有条件的,内能在某些条件下也是可以完全转化为机械能的.例如理想气体等温膨胀就是一个典型的例子,在此过程中,气体可以将从外界吸取的热量完全转化为机械功,即外界的内能通过气体吸热做功完全变成了机械能.这是不违法热力学第二定律的.
热力学第二定律是个比较复杂的问题,热二律的一个最常见的表述是开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量使其全部转化为有用功,而不产生其它影响.这个表述有利于上面例子的理解.在上面例子中,气体膨胀了,压强减小了,也就是产生了其它的影响,热二律是不禁止这样的热功完全转化的.如果要求气体状态不变（实际上要求气体经历一个循环过程）,又要求热功完全转化,那才是违反热二律的,即办不到的.
在脱离上下文的条件下,“内能不可完全转化为机械能”这一说法并不严格,但要简单地说它就是错误的,也并不适当.当我们不局限于某一特定的过程,而是着眼于整个宇宙（目前已知的宇宙）,上面的说法在某种意义上就是正确的.因为在所有的各种形式的能量转化中,都不可避免的伴随着其它形式的能量变为内能,一旦变为内能就不再能无条件的变为其它形式的能量（要受到热二律的限制）,因此,其它形式的能量会逐步变为内能,直至最终全部变为内能,一旦出现这种情况（目前尚不能断定,因为今天我们所考虑的宇宙的范围和明天可能不同）,宇宙中将处处温度相等,这时,内能将永远不能变为其他形式的能量,这就是所谓的热寂.热寂说根据人类目前的知识尚无法判断是否正确,即热寂的那一天是否真的会到来尚不能肯定.但无论如何,至少目前看来其他形式的能量都存在逐步变为内能的趋势,
所谓的能量等级,这个说法在我看来并不很科学.因为按照这样的理解,一切形式的能量只可分为两类,一类是内能（准确的说是热力学能或热运动能,即狭义的内能,上文的内能均指狭义的）,其它所有形式的能量都归于另一类,也就是能量的等级只有两级.既然如此,将能量分等级的意义不大（要是能分为“三六九等”,那么分等级的意义才比较明显,可是除内能之外,其它能量形式没有等级高低之分,任何其它形式的能量相互转化都不可避免地同时存在朝向内能的转化,如果不考虑向内能的转化,那么相互转化率都可以是100%,因此无法将它们划分等级）.
更进一步认识内能和其他能量的区别,需要搞清其微观本质.内能是分子无规则热运动的能量,热运动有别于其它形式运动的根本区别在于运动的无规则性,其他运动都是有规则的,有规则的运动变为无规则运动是自发的,不需要任何条件的,而无规运动并不是不能变为有规则运动,而是不会自发的变化,要实现转变必须付出某种代价,或者说变化是有条件的.