永動(dòng)機(jī)研究及發(fā)展歷程最終版

永動(dòng)機(jī)研究與發(fā)展歷程前言一、第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)二、第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)三、第三類(lèi)永動(dòng)機(jī)四、第四類(lèi)永動(dòng)機(jī)五、永動(dòng)機(jī)發(fā)展的科學(xué)啟示前言歷史上人們?cè)?jīng)熱衷于研制各種類(lèi)型的永動(dòng)機(jī)，其中包括達(dá)文西，焦耳這樣的學(xué)術(shù)大家，另外包括一些希望以永動(dòng)機(jī)出名和獲利的騙子。在熱力學(xué)體系建立后，人們通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬜C明了永動(dòng)機(jī)是違反熱力學(xué)基本原理的設(shè)想，從此之后就少有永動(dòng)機(jī)的研究者了。不過(guò)從一個(gè)側(cè)面也可以認(rèn)為，人類(lèi)對(duì)永動(dòng)機(jī)的熱情以及制造永動(dòng)機(jī)的種種實(shí)踐，推動(dòng)了熱力學(xué)體系的建立和機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步。永動(dòng)機(jī)的定義及起源永動(dòng)機(jī)是一類(lèi)所謂不需外界輸入能源、能量或在僅有一個(gè)熱源的條件下便能夠不斷運(yùn)動(dòng)并且對(duì)外做功的機(jī)械。永動(dòng)機(jī)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(lèi)永動(dòng)機(jī)亨內(nèi)考永動(dòng)機(jī)達(dá)芬奇之滾珠永動(dòng)機(jī)斯特爾之流水落差永動(dòng)機(jī)亨內(nèi)考永動(dòng)機(jī)輪子中央有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，輪子邊緣安裝著12個(gè)可活動(dòng)的短桿，每個(gè)短桿的一端裝有一個(gè)鐵球。方案的設(shè)計(jì)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(dòng)力矩要比左邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大。這樣輪子就會(huì)永無(wú)休止地沿著箭頭所指的方向轉(zhuǎn)動(dòng)下去，并且?guī)?dòng)機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然右邊每個(gè)球產(chǎn)生的力矩大，但是球的個(gè)數(shù)少，左邊每個(gè)球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個(gè)數(shù)多。于是，輪子不會(huì)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去而對(duì)外做功，只會(huì)擺動(dòng)幾下，便停下來(lái)。

達(dá)芬奇之滾珠永動(dòng)機(jī)達(dá)·芬奇也造了一個(gè)類(lèi)似的裝置，他設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)不息，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是否定的。達(dá)·芬奇敏銳地由此得出結(jié)論：永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，由杠桿平衡原理可知，上面兩個(gè)設(shè)計(jì)中，右邊每個(gè)重物施加于輪子的旋轉(zhuǎn)作用雖然較大，但是重物的個(gè)數(shù)卻較少。精確的計(jì)算可以證明，總會(huì)有一個(gè)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(dá)到平衡而靜止下來(lái)。斯特爾之流水落差永動(dòng)機(jī)16世紀(jì)70年代，意大利的一位機(jī)械師斯特爾又提出了一個(gè)永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。斯特爾在設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為，由上面水槽流出的水，沖擊水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪在帶動(dòng)水磨轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過(guò)一組齒輪帶動(dòng)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(gè)裝置可以這樣不停地運(yùn)轉(zhuǎn)下去，并有效地對(duì)外做功。實(shí)際上，流回水槽的水越來(lái)越少，很快水槽中的水就全部流進(jìn)了下面的蓄水池，水輪機(jī)也就停止了轉(zhuǎn)動(dòng)。第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)的理論剖析歷史上，人們提出了很多種永動(dòng)機(jī)的制作方案。雖然人們經(jīng)過(guò)多種嘗試，做了多種努力，但永動(dòng)機(jī)無(wú)一例外的歸于失敗。人們把這種不消耗能量的機(jī)器叫第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到:一個(gè)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(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能造出來(lái)的。第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)在熱力學(xué)第一定律問(wèn)世后，人們認(rèn)識(shí)到能量是不能被憑空制造出來(lái)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(jì)一類(lèi)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(dòng)永動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和功輸出的源頭，這就是第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)。第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)歷史上首個(gè)成型的第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)模型是1881年美國(guó)人約翰·嘎姆吉為美國(guó)海軍設(shè)計(jì)的零發(fā)動(dòng)機(jī)，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，推動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。但是這一裝置無(wú)法持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)槠蟮囊喊痹跊](méi)有低溫?zé)嵩创嬖诘臈l件下無(wú)法重新液化，因而不能完成循環(huán)。

第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)的理論剖析物理學(xué)給出了一個(gè)熵增加原理，消滅了第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)的可能性。熵增加原理說(shuō)：“能量的轉(zhuǎn)化是有方向的！”這個(gè)原理就是熱力學(xué)的第二個(gè)定律。還有一個(gè)直接針對(duì)第二永動(dòng)機(jī)的表述是這樣說(shuō)的：“不可能從單一熱源吸熱作功，而不對(duì)環(huán)境造成影響。”第三類(lèi)永動(dòng)機(jī)1990年代，美國(guó)人在亞利桑那州的沙漠里進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)碩大的溫室，占地一公頃，在里面預(yù)先設(shè)置了河流、樹(shù)林、草地、動(dòng)物、人……總之，一切都是盡力模仿地球的生物圈而設(shè)計(jì)的，所以該溫室被命名為生物圈２號(hào)。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者希望生物圈２號(hào)中的空氣、水，動(dòng)物、植物和人能夠在陽(yáng)光的作用下實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的自循環(huán)。

生物圈２號(hào)內(nèi)景圖第三類(lèi)永動(dòng)機(jī)的理論剖析第二生物圈的構(gòu)想是典型的第三類(lèi)永動(dòng)機(jī)，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(shí)現(xiàn)物質(zhì)的自循環(huán)。這個(gè)構(gòu)想違背了一個(gè)基本的物理學(xué)事實(shí)，就是物資的回收率不可能是百分之百。每個(gè)循環(huán)都會(huì)有垃圾產(chǎn)生，參加循環(huán)的物質(zhì)越來(lái)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(gè)非常好的實(shí)驗(yàn)。第四類(lèi)永動(dòng)機(jī)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(dòng)納米材料。由于第四類(lèi)永動(dòng)機(jī)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(shí)踐的證明和科學(xué)界的嚴(yán)格論證，第四類(lèi)永動(dòng)機(jī)不等于科學(xué)，充其量只能說(shuō)是假說(shuō)和科幻。永動(dòng)機(jī)發(fā)展的科學(xué)啟示追尋永動(dòng)機(jī)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?jī)r(jià)值，永動(dòng)機(jī)的種種設(shè)計(jì)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