永动机的失败

永动机的失败

永动机，从字面意思上看可以理解为永远转动的机器；而人们赋予它的意思是，无需能量便可以永远运动下去的机器。然而这个想法从什么时候开始的呢？是由谁提出来的呢？制造永动机的想法真的能实现吗？

首先，让我们看一下这个想法是如何产生的。朱利页斯·罗伯特·迈尔（Julius Robert von Mayer）是德国的一位内科医生和物理学家。他观察到暴风浪的海水温度比静海里的水温要高，引起他深入的考虑，自然界的规律，特别是暖和的物理现象。他想，物体的温度是由热直接或间接产生的？1841年以后，迈尔决定全部精力去解决这个问题。

德国图宾根（Tubingen）的一位物理教授约翰·内伦贝格（Johann Gottieb Norremberg) 给迈尔建议，如果动能能转变为热能，水由于振动，它的温度必定会升高。迈尔不仅做了这个证明，而且还定出机械能转换成热能的转换定量因子。热的机械能当量。他的研究结果发表在1842年莱比锡的化学和医药杂志上。

热力学发展初期，热和机械能的相互转化是人们研究的主题。在工业革命的推动下，工业上和运输上都相当广泛地使用蒸汽机。人们研究怎样消耗最少的燃料而获得尽可能多的机械能。这时人们就想制造一种机器，不需要外界提供能量，却能不断地对外做功的机器。所以，为了解决这个问题，促使人们都去研究热和机械能之间的关系问题。

欧洲，早期最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来的。如图所示：

轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。方案的设计者认为，右边的球比左边的球离轴远些，因此，右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去，并且带动机器转动。这个设计被不少人以不同的形式复制出来，但从未实现不停息的转动。

仔细分析一下就会发现，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。于是，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停在右图中所画的位置上。

随后，迈尔（J.R.Mayer）第一个提出了能量守恒定律，而此定律得到了物理学界的确认，却是在焦耳（J.P.Joule）的实验工作发表以后。

焦耳在1840～1848年间做了大量实验，测定了热与多种能量的相互转化时的严格的数量关系。以往热的单位是cal（卡），功以erg（尔格）为单位，焦耳的实验结果为1cal=4．184×10^7erg，这就是著名的热功当量。此后，更准确地测定为4．184×10^7erg，即4．184J（焦耳）。焦耳实验表明，自然界的一切物质都具有能量，它可以有多种不同的形式，但通过适当的装置，能从一种形式转化为另一种形式，在相互转化中，能量的总数量不变。

这个结果表示；功和热彼此是相当的。它们是能够互相转换的能量的不同形式。迈尔是第一个发展能量守恒定律的人。这是物理学历史上最重要成就之一。詹姆斯·普雷斯科特·焦尔（James Prescott Joule ）是一位英国物理学家，1843年他精确地定出机械功和热当量，证明了能量守恒定律。他指出，在能用实验捡验的所有情况下，能量守恒都能成立，当量比率与能量的不同形式转换无关。焦耳所确立的原理，实际上是热力学的第一定律。它表明，能量不能产生或者消灭，而只能转移。

热力学第一定律是能量守恒原理的一种表达方式。此定律曰：在一个热力学系统内，能量可转换，即可从一种形式转变成另一种形式，但不能自行产生，也不能毁灭。一般公式化为：一个系统内能的改变等于供给系统的热量减去系统对外环境所作的功。

热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。

第一类永动机是许多人幻想制造的能不断地作功而无需任何燃料和动力的机器，是能够无中生有、源源不断提供能量的机器。显然，第一类永动机违背能量守恒定律。

第二类永动机是在什么背景下提出来的呢？

在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能被凭空制造出来的，于是有人提出，设计一类装置，从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头，这就是第二类永动机。

历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是这能成功

吗？

1820年法国工程师卡诺设计了一种工作于两个热源之间的理想热机——卡诺热机，卡诺热机从理论上证明了热机的工作效率与两个热源的温差相关。德国人克劳修斯和英国人开尔文在研究了卡诺循环和热力学第一定律后，提出了热力学第二定律。这一定律有两种阐述，克劳修斯表述：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。开尔文表述：不可能从单一热源去热使之转化唯有用功而不引起其他变化。这一定律指出：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。

热力学第二定律的提出宣判了第二类永动机的死刑，而这一定律的表述方式之一就是：第二类永动机不可能实现。所以美国海军设计的第二类永动机也以失败告终。

以前我们认为的两类永动机都以失败告终，原因是第一类永动机违反了热力学第一定律（能量守恒定律），第二类违反了热力学第二定律（熵增加原理）。

那么还有人会问，又没有第三类永动机呢？有人认为，第二生物圈的构想是典型的第三类永动机，它希望在封闭的物质系统内，依靠外界能量的输入，实现物质的自循环。但这个构想违背了一个基本的物理学事实，就是物资的回收率不可能是百分之百。每个循环都会有垃圾产生，参加循环的物质越来越少，最后使系统崩溃。

由此可见，依靠人类现在的力量可能想制作出永动机还是不可能的。