永动机不可能制成的原因

浅析永动机不可能制成的原因
专业：初等教育班级：09501 姓名：李佳惠
摘要:本文通过分析探讨了永动机是不可能制成的的原因.，从经典物理及现代物理学的观点出发，认为近年提出的“物质创生说”不能使第一类永动机死灰复燃。

由于热力学第二定律，第二类永动机也不可能实现。

由于引力的存在，“热寂”也不可能出现。

关键词:第一类永动机,第二类永动机,物质创生说,热寂引力
引言：在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造，因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。

在热力学第一定律提出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。

直至热力学第一定律发现后，第一类永动机的神话才不攻自破。

从科学上来说，永动机被认为是不可能的，在科学上讲不可能不是件好事，因为这会阻止进步，但在永动机的例子中，要让永动机在科学上实现，要破坏的物理定律太多了，以至于只要有一个确定的永动机出现，物理学就要全部重写的地步。

让永动机无法实现的科学原因主要有两个：热力学的第一定律（能量守恒）表明了在一个封闭的系统内，不会无缘无故地冒出新的能量来，而热力学的第二定律则表明了任何系统内的熵只能增加，即在没有外界输入能源、能量的情况下，粒子最终都会慢慢停止，直到所有的粒子携带的能量相同-- 没有能量差，自然就无法产生功了。

依照上面两个定律，可以将永动机分成两类：
第一类永动机：可以无中生有产生出能量。

这种永动机违背了热力学第一定律，但可以无视第二定律，因为有个未知的能量源不停地产生能量差。

第二类永动机：可以将系统内渐趋平衡的能量差，重新拉开。

如果拉开前和拉开后的总能量是一致的，那就没有违背热力学第一定律，但相对的，这样的永动机违背了第二定律。

1“物质创生说”能否使第一类永动机死灰复燃
第一类永动机似乎已被否定多年。

因为，第一类永动机若是可能，能量守恒定律就不成立。

然而，近年来，有人提出“物质创生说”，如果这种学说成立，能量守恒就会失去其在物理学乃至整个宇宙世界的不可动摇的地位，那么第一类永动机就可复活了。

事实上，人类对能量问题的认识是逐渐深化的，最初，仅仅认识到同类能量可以
互相转换例如，机械能中动能和势能的互相转换。

以后，又认识到性质不同的能量间亦可互相转换，例如，相互摩擦可使杭械能部分转换为热能，机械能使电机转动从而转换为电能，电能转换为光能，化学电池把化学能转换为电能……特别是Einstein在狭义相对论中提出质能关系E一材CZ(其中E为能量，C为光速，M为质量)后，把质量和能量的相互转化规律建立起来了，即把物质不灭定律和能量守恒定律统一为质能守恒，由此，众所周知的物质(实物)和能量(场)实际上是质能的两种存在形式，人类对核能的应用，原子弹、氢弹的爆炸成功，核电站的建立等无一不是基于此认识的，可以说，迄今为止，还未发现违反质能守恒定律的自然现象。

近年来，在宇宙学的研究中，有些人提出了“物质创生说”。

他们认为在大爆炸时刻形成了一个以辐射为主的时空，经过短暂的时刻后，在引力场作用下，辐射和物质(实物粒子)分离，于是，粒子和场就在大爆炸的瞬间产生了，物质由此而生。

其实这是一种不正确的看法。

笔者认为，即使将来有一天，我们能够证实物质确是在大爆炸的瞬间产生的，也无法证明大爆炸以前这些物质以什么样的形式存在。

从Einstein的广义相对论的观点来看，大爆炸前的宇宙是时空的奇点(亦称白洞)，由时空反演而知，该奇点把光锥分为两个独立的部分，这是两个不同的世界。

这两个独立的部分永远不可能交换任何信息，即大爆炸前的信息和大爆炸后的信息互相不能交换，因此，今天的人类就会有这样的误解，所有物质都是在大爆炸时刻“创生”出来的。

事实上，把今天的宇宙和大爆炸前的宇宙作为一个整体来考虑，质能关系应该还是成立的，换言之，质能守恒仍然主宰着我们这个宇宙世界，因此，“物质创生说”是不成立的。

2第二类永动机能否实现
其它能量可以转换为热能，可否将热能用某种方法集中起来，再转换为其它能量，即作完全的逆变换?这就是所谓第二类永动机的问题。

显然，第二类永动机是不违反能量守恒定律的。

然而，它却违反了自然界的另一普遍规律，热力学第二定律，该定律是这样描述的(开尔文表述):不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之完全变为有用的功，而其它物体不发生任何变化。

举例来说(如图1)，一隔板S将气缸分为A、B两部分，其中A有气体，
图一：
图二：
B 为真空。

现把隔板S 抽掉，则在很短的时间内，气体分子将分布于整个气缸(如图2)，所有气体分子重新回到原A 部分的几率几乎为零。

如果驱使所有气体分子回到A 区中，就要消耗能量。

总之，自然界的普遍规律就是这样，若无外界的干扰，封闭孤立系统内物理现象是从有序向无序方向变化，若要逆转，即从无序到有序，就不得不向原封闭系统输入能量。

当然理论上也有可逆性的能量转换，如理想的机械能的转换，但是，自然界中，能量的转换无一例外的都伴随或多或少的热现象，可逆性的非耗散系统的能量转换是不存在的，在机械能的转换过程中，由于摩擦而生热，通电导体发出热量……，简言之，在能量的转换过程中不可避免的发生了其它的能量转变为热能，热现象的出现标志着该过程向嫡增加的方向运动，因此，能量的转换具有单方向性，而无可逆性，即“嫡增加原理。

”所以说，第二类永动机不可能制成，除非热力学第二定律被推翻。

基于此因，有人提出，在定义时间的正方向时，可以采用孤立系统内热力学的嫡增加方向来描述。

3热力学第二定律是否会导致“热寂”
我们认为，过份强调热力学第二定律对宇宙的作用，而不考虑其它因素对宇宙的作用，从而导致“热寂说”，这是不妥的。

显然，这种说法忽略了引力对宇宙中运动万物的作用。

即使按热力学第二定律，会导致能量最终在宇宙间均匀分配即所谓“热寂”，但由于统计涨落和引力的作用，就会形成新的小的质量中心群，这些小的质量中心群将不断地吸引周围的物质，而这个过程是正反馈的过程，又会形成诸如今日宇宙中恒星群，从而形成质量和能量的不均匀分布。

故可以说，正是引力的作用，大爆炸后，才能形成粒子和场分离的宇宙，也正是由于引力的作用，方可避免宇宙的末日，即嫡 A B A B
达极大值后，宇宙不再演化时刻的到来。

4 总结
各种永动机设计方案的失败，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线索之一。

德国著名物理学家和生理学家亥姆赫兹（H. Helmholtz，1821—1894）就是从永动机不可能实现的这个事实入手研究发现能量转化和守恒原理的。

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？”
参考文献：
1. 百度百科,永动机/view/18816.htm
2.白欧,《永动机和热力学基本定律》
3.Andy Y ang,《科幻与现实：永动机》
Analyses the reason of perpetual motion machine made impossible
Abstract:This paper analyzs the reason why perpetual motion machine is impossible to be made.According to the view of classical physics and modern physics,“material creation theory”in recent years can't make the first kind of perpetual motion machine resurgence.The second kind of perpetual motion machine also can never be come true because of the second law of thermodynamics.Due to the presence of gravity, "heat death" is not possible,either.
key words:the first kind of perpetual motion machine, and the second kind of perpetual motion machine, material creation theory, heat death gravity,。