第一類永動機發(fā)展歷史

歷史上最著名的第一類永動機是法國人亨內(nèi)考在13世紀(jì)提出的“魔輪”。如圖所示：輪子中央有一個轉(zhuǎn)動軸，輪子邊緣等距地安裝著12根活動短桿，每個短桿的一端裝有一個鐵球。亨內(nèi)考認(rèn)為，魔輪通過安放在轉(zhuǎn)輪上一系列可動的懸臂實現(xiàn)永動，向下行方向的懸臂在重力作用下會向下落下，原理轉(zhuǎn)輪中心，使得下行方向力矩加大；而上行方向的懸臂在重力作用下靠近轉(zhuǎn)輪中心。力矩減小，力矩的不平衡驅(qū)動魔輪的轉(zhuǎn)動。這個設(shè)計被不少人以不同的形式復(fù)制出來，但從未實現(xiàn)不停息的轉(zhuǎn)動。

仔細分析一下就會發(fā)現(xiàn)，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，便停在右圖中所畫的位置上。

15世紀(jì)，意大利著名的科學(xué)家、藝術(shù)家達·芬奇也曾設(shè)計了一個相同原理的類似裝置，但試驗卻未獲得成功。由此，達·芬奇敏銳地認(rèn)識到永動機是不可能制成地，他勸告永動機的設(shè)計者們：“永恒運動地幻想家們！你們的探索是何等徒勞無功，還是去作淘金者吧?！?/p>

17世紀(jì)，英國被關(guān)在倫敦塔下的犯人馬爾基斯的，也曾復(fù)制了一臺類似的轉(zhuǎn)動永動機。轉(zhuǎn)輪的直徑約4.3m，有40個質(zhì)量約為23kg的重球沿轉(zhuǎn)輪輻條向外運動，輪流驅(qū)使轉(zhuǎn)輪不斷運動。據(jù)說他曾向英國國王查理一世表演過這一裝置，國王見了十分高興，就釋放了他，其實這臺機器由于有較大的自重，經(jīng)推動后能依靠慣性維持一段時間的轉(zhuǎn)動，但終究還是要停止的。

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流水落差永動機的設(shè)計方案。他在設(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。后來有人還設(shè)計了一臺類似的永動機，但并沒有成功。

熱力學(xué)發(fā)展初期，熱和機械能的相互轉(zhuǎn)化是人們研究的主題。在工業(yè)革命的推動下，工業(yè)上和運輸上都相當(dāng)廣泛地使用蒸汽機。人們研究怎樣消耗最少的燃料而獲得盡可能多的機械能。甚至幻想制造一種機器，不需要外界提供能量，卻能不斷地對外做功，這就是所謂的第一類永動機。為了解決這個問題，促使人們都去研究熱和機械能之間的關(guān)系問題。邁爾（J.R.Mayer）第一個提出了能量守恒定律，而此定律得到了物理學(xué)界的確認(rèn)，卻是在焦耳（J.P.Joule）的實驗工作發(fā)表以后。

焦耳在1840～1848年間做了大量實驗，測定了熱與多種能量的相互轉(zhuǎn)化時的嚴(yán)格的數(shù)量關(guān)系。以往熱的單位是cal（卡），功以erg（爾格）為單位，焦耳的實驗結(jié)果為1cal=4．184×10^7erg，這就是著名的熱功當(dāng)量。此后，更準(zhǔn)確地測定為4．184×10^7erg，即4．184J（焦耳）。焦耳實驗表明，自然界的一切物質(zhì)都具有能量，它可以有多種不同的形式，但通過適當(dāng)?shù)难b置，能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，在相互轉(zhuǎn)化中，能量的總數(shù)量不變。能量守恒轉(zhuǎn)換定律的建立，對制造永動機的幻想作了最后的判決，因而熱力學(xué)第一定律的另一種表述為：“不可能制造出第一類永動機”。由此可見，熱力學(xué)第一定律就是涉及熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。

永動機第一類

第一類永動機是最古老的永動機概念，這一類永動機試圖以機械的手段在不獲取能源的前提下使體系持續(xù)地向外界輸出能量 。

歷史上最著名的第一類永動機是法國人亨內(nèi)考在十三世紀(jì)提出的“魔輪”，魔輪通過安放在轉(zhuǎn)輪上一系列可動的懸臂實現(xiàn)永動，向下行方向的懸臂在重力作用下會向下落下，遠離轉(zhuǎn)輪中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的懸臂在重力作用下靠近轉(zhuǎn)輪中心，力矩減小，力矩的不平衡驅(qū)動魔輪的轉(zhuǎn)動。十五世紀(jì)，著名學(xué)者達芬奇也曾經(jīng)設(shè)計了一個相同原理的類似裝置，1667年曾有人將達芬奇的設(shè)計付諸實踐，制造了一部直徑5米的龐大機械，但是這些裝置經(jīng)過試驗均以失敗告終 。

除了利用力矩變化的魔輪，還有利用浮力、水力等原理的永動機問世，但是經(jīng)過試驗，已確認(rèn)這些永動機方案失敗或僅只是騙局，無一成功 。

1842年荷蘭科學(xué)家邁爾提出能量守恒和轉(zhuǎn)化定律；1843年英國科學(xué)家詹姆斯·焦耳提出熱力學(xué)第一定律，他們從理論上證明了能夠憑空制造能量的第一類永動機是不能實現(xiàn)的。熱力學(xué)第一定律的表述方式之一就是：第一類永動機不可能實現(xiàn) 。

永動機第二類

曾經(jīng)有人設(shè)計一類機器，希望它從高溫?zé)釒欤ɡ珏仩t）吸取熱量后全部用來做功，不向低溫?zé)釒炫懦鰺崃?。這種機器的效率不是可以達到100%了嗎？這種機器不違背能量守恒定律，但是都沒有成功。人們把這種只從單一熱庫吸熱，同時不間斷的做功的永動機叫第二類永動機。這種永動機不可能制成，是因為機械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性：機械能可以轉(zhuǎn)化內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起其它變化。從研究永動機得到的意外收獲 。

前已提及，英國科學(xué)家焦耳也曾被永動機這一“奇妙”的發(fā)明所吸引，并為此做了一二十年的實驗，但最后他留給后世的并不是永動機，而是證明永動機不可能的“熱功當(dāng)量定律”，這應(yīng)該算是研究永動機得到的意外收獲 。

斯臺文是這方面的另一個例子。在他那個時代（16世紀(jì)末—17世紀(jì)初），有一種永動機是廣泛被談?wù)撝模鐖D2所示，有14個能滾動的很重的鐵球用鏈子連起來放在一個三棱體上。三棱體的一邊比較斜，一邊比較陡，且斜的一邊比陡的一邊長些。永動機的制造者們相信，斜的一邊上有4個重鐵球，陡的一邊只有兩個重鐵球，4個鐵球的下滑力自然比兩個鐵球大，整個裝置就會如箭頭所指示的方向滑下來。一旦左邊滑下去一個重球，右邊一定同時補充上一個重球，左邊的斜面上依然是4個重球，右邊的斜面上仍只有兩個重球，永遠是左邊的下滑力大于右邊的下滑力，球鏈就會永遠不斷地運動下去。荷蘭科學(xué)家斯臺文在研究這種永動機時，從經(jīng)驗出發(fā)判斷它不可能永動，因為左邊球雖多，但斜面緩，每個球產(chǎn)生的向下拉力小，右邊球雖少，但斜面陡，每個球產(chǎn)生的向下拉力大，結(jié)果兩邊斜面向下的拉力一樣大。至此，斯臺文并沒有停止思維，他又把該問題進一步引向深入：由于球的個數(shù)跟斜面的長度成正比，每個球都是一樣重，所以各邊球的總重也一定跟斜面長成正比 。

這就是有名的兩個斜面上力量平衡的定律。

大致詳細分類

（1）機械類：妄圖依靠機械內(nèi)循環(huán)，對啟動能量進行增益，以試圖突破能量守恒。并依靠能量增益，使增益的能量輸出，并將輸出能分化為兩部分，一部分給機械提供動力。另一部分對外做功 。

（2）電/磁動機：屬于永動機范疇，但因不具備工業(yè)實用性，被稱為玩具。概念，假設(shè)概念，磁鐵與電磁場互動，使得能量突破能量守恒，磁動機獲得了輸出大于輸入。但實際上實驗顯示，磁動機終究會因為消磁而停止 。

（3）熱循環(huán)：試圖突破熱一，熱二，但終究失敗，溫度平衡點與溫度不可疊加和轉(zhuǎn)化消耗上，無法在內(nèi)部環(huán)境中進行百分百轉(zhuǎn)化 。

（4）空氣壓縮機：依靠壓縮空氣，至使溫度升高。理論上，空氣壓縮與釋放能量守恒，但是使用空氣壓縮的機構(gòu)涉及曲軸等機械零件能量消耗，并且在熱量揮發(fā)時速度與空氣回溫等等存在許多不完善，但具體資料因資源有限暫且未知（理論上可行性永動機）。

（5）特斯拉線圈：屬于官方資料，民間流傳的據(jù)說是不完整的，但理論上與現(xiàn)實中線圈的確存在，它是一種在自然界收集電能量的一種器具。姑且不說官方文獻，但以自然界電磁場能量制作出的線圈僅僅只能是個玩具。

（6）飲水鳥：愛因斯坦自食其言的傳奇玩具，一個利用液體沸點與自然界溫度的玩具機械 。

（7）幾何永動：這是集齊所有機械類理論于一體的永動機，并開闊創(chuàng)新，成就前無古人，也可能后無來者的失敗永動機。這臺永動機發(fā)明者只研究增益零件，而放棄了固定能量源，選擇能量源自由。形成了一個利用周長相等的圓與三角形之間的力矩不同，而忽略三角形最短力矩的另類組合 。

（8）液態(tài)永動：利用液體質(zhì)量的密度與引力，或另一種單純的水與氣體引力相結(jié)合設(shè)計出的永動機。但因為守恒，利用液體質(zhì)量的至今全部失敗，而水與空氣類型的似乎也是失敗 。

（9）倒吸虹：這個永動機，企圖改變管道的粗細，在水管的上方加一個水箱，依靠水的壓力，改變吸虹勢能。但因出水口的限制，決定了水的壓力，導(dǎo)致再次失敗 。

磁力永動機假想

機器主要由一個大型條形磁鐵和周圍多個小磁鐵組成，小磁鐵壓縮彈簧沿著各自的軸線運動。周圍的小磁鐵受到中間大磁鐵的磁力排斥，磁力排斥推動壓縮彈簧，右側(cè)小磁鐵在排斥力的作用下遠離轉(zhuǎn)軸(材料具有超光滑表面)，左右兩邊重力力矩不平衡，從而帶動整個輪子順時針轉(zhuǎn)動?？障胝邆冋J(rèn)為整個過程不消耗任何能量，稱其為磁力永動機。我們認(rèn)為這種假想的機器屬于“第一類永動機”。

磁力永動機證偽

1、空想者試圖用重力作為驅(qū)動力，但是卻沒有考慮重力對于小磁鐵的影響，重力作用下小磁鐵的位置不會呈現(xiàn)對稱狀態(tài)。

2、通過計算系統(tǒng)的力矩表明，M = 0，這個轉(zhuǎn)輪停止在某個位置，不會一直運動。

3、根據(jù)熱力學(xué)第一定律 Q = △E A，系統(tǒng)吸收的熱量一部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能，一部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)對外做功。整個假想運動過程中，磁鐵排斥推動壓縮彈簧會耗能，彈簧回復(fù)會釋能，系統(tǒng)的重心沒有變化，重力 不 做 功，總 體 過 程 無 能 量 變 化△E = 0，不對外吸收熱量 Q，則(A = 0)不能對外做功。所以這個裝置無法實現(xiàn)永動并且對外做功。

4、鐵分為永久性磁鐵和非永久性磁鐵，永久性磁鐵并不會永遠有磁性，外界因素會改變它的磁性，例如高溫、撞擊、強磁場和周圍交流電產(chǎn)生的磁場都會使得磁性體消磁。因此無論哪種類型的磁鐵都不能做到永久性提供磁性。磁鐵磁性的持續(xù)作用，導(dǎo)致磁性減退，等到磁力不足以推動彈簧，這個裝置也就停止運動了。

永動機是一類想象中的不需外界輸入能源、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。歷史上人們曾經(jīng)熱衷于研制各種類型的永動機，其中包括達芬奇、焦耳這樣的科學(xué)家。另外包括一些希望以永動機出名和獲利的騙子以及狂熱者。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。