第一类永动机的故事

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第一类永动机的故事

摘要

自公元1200年前后印度提出制作永动机的梦想以后，人们对于永动机的热情就从来没有减弱过，然而任何学过科学知识的人都应该明白，永动机是不可能制成的，因为永动机的原理与热力学定律是相悖的，是不符合科学原理的。在历史上，无数人曾为第一类永动机的制造付出过努力，他们狂热的追求永动机的支持。但无一例外，都失败了。

第一类永动机的发展历程

奥恩库尔之“魔轮”

据记载，欧洲早期最着名的永动机设计方案是十三世纪时法国的亨内考提出的“魔轮”。如图所示，

亨内考当时设计的装置为如图所示的圆轮结构，他在一个轮子的边缘上等距地安装12根活动短杆，杆端分别套上一个重球。无论轮子转到什么位置，右边的各个重球总比左边的各个重球离轴心更远一些。

亨内考设想，右边甩过去的重球作用在离轴较远的距离上，就会使轮子按照顺时针的方向永不停息地旋转下去，并且带动机器。但是，实际上轮子转动一两圈后就停了下来。

经过简单的分析我们发现，虽然右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。经过计算得出，总会有一个适当的位置，使左右两侧重物施加于轮子的相反方向的旋转作用恰好相等，互相抵消，使轮子达到平衡而静止下来。因此在这个永动机当中，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下之后停顿下来。

达芬奇之“滚珠”

文艺复兴时期，意大利的达芬奇也设计了一个类似的装置。

滚珠永动机是利用格板的特殊形状，使一边重球滚到比另一边的距离轮心远些的地方。他认为，如图所示，右边的重球比左边的重球离轮心更远些，在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息。

但实验结果表明，这种想法也是错误的。经过分析我们发现，滚珠式永动机的设计原理与奥恩库尔的永动机是相同的，都利用了轮新左右两边力矩不相等使轮轴不断转动。该设想也同样无法解决摩察阻力的问题，且在运转时，可能会出现一个正好使得轴心左右两端力矩相等的位置，这是如果轮轴的角速度正好为零，则机器停止转动。

泰斯尼尔斯之“磁石”

1570年，意大利的泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。

他设想，A是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚下去，滚到上端的E 处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。

经过分析我们发现，软臂永动机的臂可以弯曲，臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而他没有想到力臂虽然缩短了，力却增大了，转轮只能停止在原地。

斯特尔之“浮力”

在16世纪70年代，意大利的机械师斯特尔又提出了一个永动机的设计方案。

他在设计时认为，由上面水槽流出的水，冲击水轮转动，水轮在带动水磨转动的同时，通过一组齿轮带动螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想，整个装置可以这样不停地运转下去，并有效地对外做功。

实际上，流回水槽的水越来越少，很快水槽中的水就全部流进了下面的蓄水池，水轮机也就停止了转动。

第一类永动机不可能制成？

层出不穷的永动机设计方案, 都在科学的严格审查和实践的无情检验下一一失败了. 1775年法国科学院郑重地通过了一项决议, 拒绝审理永动机设计方案，并且解释说: 永动机的建造是绝对不可能的, 即使中间的摩擦和阻力不致最终破

坏原来的动力, 这个动力也不能产生等于原因的效果; 再如设想动力可以连续起作用, 其效果在一定时间内也会是无限小. 如果摩擦和阻力减小,初始的运动往往得以继续, 但它不能与其它物体作用, 在这种假设(自然界不可能存在)中, 惟一可能的永恒运动对实现永动机建造者的目的将毫无用处. 这些研究的缺点是极度昂贵, 不止毁了一个家庭; 本来可以为公众提供大量服务的技师们, 往往为此消费了他们的工具、时间和聪明才智。

第一类永动机各种设计方案的失败, 制造永动机美好梦想的破灭, 对于每一个寻找永动机的人是一个不小的打击. 但是, 反思这一失败的探索过程, 它从反面给人类以启迪, 一些科学家从这一否定的结论中开始思考, 提出这样一个问题: 永动机不可能制成, 是不是说明自然界存在着一条法则, 它使我们不可能无中生有地获得能量也就是说自然界各种能量之间存在着一定的转化关系. 这方面的思考是能量转化和守恒原理建立的重要线索之一.

德国着名物理学家和生理学家亥姆霍兹就是从永动机不可能实现的这一事实入手研究发现能量转化和守恒定律的. 他在论文中写道:鉴于前人试验的失败, 人们不再询问——我如何能利用各种自然力之间已知和未知的关系来创造一种永恒的运动。而是问道——如果永恒的运动是不可能的, 在各种自然力之间应该存在着什么样的关系

达-芬奇的劝告、法国科学院的解释, 教育了一批永动机迷, 但似乎还是缺乏法律根据,未免显得苍白, 直到19世纪中叶能量转化和守恒定律的确立, 才对永动机的设计作出了庄严的判决: 任何不消耗能量而不断对外做功的机器是不

可能制成的, 第一类永动机的幻梦永远不能实现。

追寻第一类永动机失败的历史, 可以给我们两点启示:首先, 失败的经历也有积极的科学研究价值,永动机的种种设计方案的失败, 引起了人们的反思, 启发了能量转化和守恒的思想, 成为能量转化和守恒定律建立的重要思考线索之一;

其次, 人类利用自然, 必须遵循自然规律.历史上追求永动机的人们, 并不是因为他们没有一种良好的愿望, 也不是他们缺乏刻苦钻研的精神, 只是他们所做的工作违背了自然规律.

热力学第一定律

经验性表述：不消耗能量就可以作功的"第一类永动机"是不可能实现的

第一类永动机所追求的是某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而向外放热或作功，这种机器不需要外界提供能量,却可以源源不断的对外做功。

第一类永动机各种设计方案的失败, 制造永动机美好梦想的破灭, 对于每一个寻找永动机的人是一个不小的打击. 但是, 反思这一失败的探索过程, 它从反面给人类以启迪, 一些科学家从这一否定的结论中开始思考, 提出这样一个问题: 永动机不可能制成, 是不是说明自然界存在着一条法则, 它使我们不可能无中生有地获得能量

也就是说自然界各种能量之间存在着一定的转化关系. 这方面的思考是能量转化和守恒原理建立的重要线索之一.

德国着名物理学家和生理学家亥姆霍兹就是从永动机不可能实现的这一事实入手研究发现能量转化和守恒定律的. 他在论文中写道:鉴于前人试验的失败, 人们不再询问——我如何能利用各种自然力之间已知和未知的关系来创造一种永恒的运动。而是问道——如果永恒的运动是不可能的, 在各种自然力之间应该存在着什么样的关系？

达-芬奇的劝告、法国科学院的解释, 教育了一批永动机迷, 但似乎还是缺乏法律根据,未免显得苍白, 直到19世纪中叶能量转化和守恒定律的确立, 才对永动机的设计作出了庄严的判决: 任何不消耗能量而不断对外做功的机器是不

可能制成的, 第一类永动机的幻梦永远不能实现。

能量守恒与转化定律的一种表述

自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。

根据普遍的能量守恒定律，系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后，内能的增量ΔU应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q 和系统对外界作功A之差，即UⅡ－UⅠ=ΔU=Q－W或Q=ΔU+W这就是热力学第一定律的表达式。如果除作功、传热外，还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z，则应为ΔU=Q－W+Z。当然，上述ΔU、W、Q、Z均可正可负（使系统能量增加为正、减少为负）。对于无限小过程，热力学第一定律的微分表达式为——δQ=dU+δW因U 是态函数，dU是全微分；Q、W是过程量，δQ和δW只表示微小量并非全微