永動機研究與發(fā)展歷程前言一、第一類永動機二、第二類永動機三、第三類永動機四、第四類永動機五、永動機發(fā)展的科學(xué)啟示前言歷史上人們曾經(jīng)熱衷于研制各種類型的永動機，其中包括達文西，焦耳這樣的學(xué)術(shù)大家，另外包括一些希望以永動機出名和獲利的騙子。在熱力學(xué)體系建立后，人們通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬜C明了永動機是違反熱力學(xué)基本原理的設(shè)想，從此之后就少有永動機的研究者了。不過從一個側(cè)面也可以認(rèn)為，人類對永動機的熱情以及制造永動機的種種實踐，推動了熱力學(xué)體系的建立和機械制造技術(shù)的進步。永動機的定義及起源永動機是一類所謂不需外界輸入能源、能量或在僅有一個熱源的條件下便能夠不斷運動并且對外做功的機械。永動機的想法起源于印度,公元1200年前后,這種思想從印度傳到了伊斯蘭教世界,并從這里傳到了西方。第一類永動機亨內(nèi)考永動機達芬奇之滾珠永動機斯特爾之流水落差永動機亨內(nèi)考永動機輪子中央有一個轉(zhuǎn)動軸，輪子邊緣安裝著12個可活動的短桿，每個短桿的一端裝有一個鐵球。方案的設(shè)計者認(rèn)為，右邊的球比左邊的球離軸遠(yuǎn)些，因此，右邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩要比左邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著箭頭所指的方向轉(zhuǎn)動下去，并且?guī)訖C器轉(zhuǎn)動。雖然右邊每個球產(chǎn)生的力矩大，但是球的個數(shù)少，左邊每個球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個數(shù)多。于是，輪子不會持續(xù)轉(zhuǎn)動下去而對外做功，只會擺動幾下，便停下來。

達芬奇之滾珠永動機達·芬奇也造了一個類似的裝置，他設(shè)計時認(rèn)為，右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠(yuǎn)些，在兩邊不均衡的作用下會使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動不息，但實驗結(jié)果卻是否定的。達·芬奇敏銳地由此得出結(jié)論：永動機是不可能實現(xiàn)的。事實上，由杠桿平衡原理可知，上面兩個設(shè)計中，右邊每個重物施加于輪子的旋轉(zhuǎn)作用雖然較大，但是重物的個數(shù)卻較少。精確的計算可以證明，總會有一個適當(dāng)?shù)奈恢?，使左右兩?cè)重物施加于輪子的相反方向的旋轉(zhuǎn)作用（力矩）恰好相等，互相抵消，使輪子達到平衡而靜止下來。斯特爾之流水落差永動機16世紀(jì)70年代，意大利的一位機械師斯特爾又提出了一個永動機的設(shè)計方案。斯特爾在設(shè)計時認(rèn)為，由上面水槽流出的水，沖擊水輪轉(zhuǎn)動，水輪在帶動水磨轉(zhuǎn)動的同時，通過一組齒輪帶動螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想，整個裝置可以這樣不停地運轉(zhuǎn)下去，并有效地對外做功。實際上，流回水槽的水越來越少，很快水槽中的水就全部流進了下面的蓄水池，水輪機也就停止了轉(zhuǎn)動。第一類永動機的理論剖析歷史上，人們提出了很多種永動機的制作方案。雖然人們經(jīng)過多種嘗試，做了多種努力，但永動機無一例外的歸于失敗。人們把這種不消耗能量的機器叫第一類永動機。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，使人們進一步認(rèn)識到:一個系統(tǒng)能夠?qū)ν庾龉Γ词菑耐饨缥漳芰?，要么是減小自己的內(nèi)能。因此第一類永動機是不可能造出來的。第二類永動機在熱力學(xué)第一定律問世后，人們認(rèn)識到能量是不能被憑空制造出來的，只能從一種形式轉(zhuǎn)移到另外一種形式，于是有人提出，設(shè)計一類裝置，從海洋、大氣乃至宇宙中吸取熱能，并將這些熱能作為驅(qū)動永動機轉(zhuǎn)動和功輸出的源頭，這就是第二類永動機。第二類永動機歷史上首個成型的第二類永動機模型是1881年美國人約翰·嘎姆吉為美國海軍設(shè)計的零發(fā)動機，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，推動機械運轉(zhuǎn)。但是這一裝置無法持續(xù)運轉(zhuǎn)，因為汽化后的液氨在沒有低溫?zé)嵩创嬖诘臈l件下無法重新液化，因而不能完成循環(huán)。

第二類永動機的理論剖析物理學(xué)給出了一個熵增加原理，消滅了第二類永動機的可能性。熵增加原理說：“能量的轉(zhuǎn)化是有方向的！”這個原理就是熱力學(xué)的第二個定律。還有一個直接針對第二永動機的表述是這樣說的：“不可能從單一熱源吸熱作功，而不對環(huán)境造成影響?！钡谌愑绖訖C1990年代，美國人在亞利桑那州的沙漠里進行了一項實驗，實驗裝置是一個碩大的溫室，占地一公頃，在里面預(yù)先設(shè)置了河流、樹林、草地、動物、人……總之，一切都是盡力模仿地球的生物圈而設(shè)計的，所以該溫室被命名為生物圈２號。實驗的設(shè)計者希望生物圈２號中的空氣、水，動物、植物和人能夠在陽光的作用下實現(xiàn)物質(zhì)的自循環(huán)。

生物圈２號內(nèi)景圖第三類永動機的理論剖析第二生物圈的構(gòu)想是典型的第三類永動機，它希望在封閉的物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)，依靠外界能量的輸入，實現(xiàn)物質(zhì)的自循環(huán)。這個構(gòu)想違背了一個基本的物理學(xué)事實，就是物資的回收率不可能是百分之百。每個循環(huán)都會有垃圾產(chǎn)生，參加循環(huán)的物質(zhì)越來越少，最后使系統(tǒng)崩潰。當(dāng)然，不可能否認(rèn)的是，第二生物圈為物質(zhì)的循環(huán)程度提供了一個非常好的實驗。第四類永動機的理論剖析定義：不違反能量守恒定律，卡諾定律，卻能自發(fā)熵減的永動納米材料。由于第四類永動機理論所給出的熵拓展和其他支持理論給出的宇宙輸入熵的相關(guān)支持論調(diào)，都未得到實踐的證明和科學(xué)界的嚴(yán)格論證，第四類永動機不等于科學(xué)，充其量只能說是假說和科幻。永動機發(fā)展的科學(xué)啟示追尋永動機的失敗經(jīng)歷，可以給我們啟示:失敗的經(jīng)歷也有積極的科學(xué)研究價值，永動機的種種設(shè)計方案的失敗，引起了人們的反思，啟發(fā)了能量轉(zhuǎn)化和守恒的思想，成為