永動(dòng)機(jī)發(fā)展歷程

關(guān)于永動(dòng)機(jī)發(fā)展歷程前言第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)啟示第2頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天前言

動(dòng)力是人類發(fā)展歷史上不可忽視的重要角色。動(dòng)力的發(fā)展推動(dòng)者人類文明的發(fā)展，動(dòng)力的每次改革都會(huì)對(duì)人類產(chǎn)生巨大影響；人類對(duì)動(dòng)力一直在進(jìn)行著孜孜不倦的追求，對(duì)動(dòng)力的探索在曲折中不斷前進(jìn)。那么，我們?cè)诖似陂g走過(guò)那些彎路呢？下面我們來(lái)看看我們的前輩們?cè)O(shè)計(jì)的較為典型的幾種“永動(dòng)機(jī)”吧。第3頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一類永動(dòng)機(jī)

歷史上有不少人企圖設(shè)計(jì)一種機(jī)器，它不消耗能量，卻可以不停息地轉(zhuǎn)動(dòng)甚至源源不斷地對(duì)外做功，這就是人們所說(shuō)的永動(dòng)機(jī)。雖然經(jīng)過(guò)許多人的辛勞，但事實(shí)證明他們無(wú)一例外地都?xì)w于失敗。這類永動(dòng)機(jī)是一種幻想，永遠(yuǎn)不可能成功，因?yàn)樗`反了自然界最普遍的一個(gè)規(guī)律，這就是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。第4頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天亨內(nèi)考永動(dòng)機(jī)

達(dá)芬奇之滾珠永動(dòng)機(jī)泰斯尼爾斯之磁石永動(dòng)機(jī)

斯特爾之流水落差永動(dòng)機(jī)浮力永動(dòng)機(jī)

第一類永動(dòng)機(jī)的發(fā)展案例第5頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天亨內(nèi)考永動(dòng)機(jī)在歐洲，早期最著名的一個(gè)永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案是十三世紀(jì)時(shí)一個(gè)叫亨內(nèi)考的法國(guó)人提出來(lái)的。如圖所示：輪子中央有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，輪子邊緣安裝著個(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)休止的沿著順時(shí)針的方向轉(zhuǎn)。雖然右邊每個(gè)球產(chǎn)生的力矩大，但是球的個(gè)數(shù)少，只有四個(gè)，左邊每個(gè)球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個(gè)數(shù)卻有八個(gè)之多。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，便停在圖中所畫(huà)的位置上。圖1亨內(nèi)考永動(dòng)機(jī)第6頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天滾珠永動(dòng)機(jī)文藝復(fù)興時(shí)期意大利的達(dá)·芬奇設(shè)計(jì)上如圖所示的裝置。他設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為，利用格板的特殊形狀,使右邊的重球滾到比左邊的重球離輪心更遠(yuǎn)些的地方。本以為在兩邊重球不均衡的作用下會(huì)使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)不息，但結(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。達(dá)·芬奇勸告永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)者們:“永恒運(yùn)動(dòng)的幻想家們！你們的探索是何等徒勞無(wú)功,還是去作淘金者吧！”由杠桿平衡原理可知，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)。如果沒(méi)有摩擦力和空氣阻力，且忽略碰撞中的能量損耗，給輪子一個(gè)初速度，輪子就能依靠慣性永不停息地轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2滾珠永動(dòng)機(jī)第7頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天磁力永動(dòng)機(jī)1570年，意大利的泰斯尼爾斯，提出用磁石的吸力可以實(shí)現(xiàn)永動(dòng)機(jī)。A是一個(gè)磁石，鐵球C受磁石吸引可沿斜面滾上去，滾到上端的E處，從小洞B落下，經(jīng)曲面BFC返回，復(fù)又被磁石吸引，鐵球就可以沿螺旋途徑連續(xù)運(yùn)動(dòng)下去。大概他那時(shí)還沒(méi)有建立庫(kù)倫定律，他不知道磁力的大小是與距離的平方成反比變化的，當(dāng)然他也不知道能量守恒定律。

圖3磁力永動(dòng)機(jī)第8頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天流水落差永動(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，如圖所示。他在設(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，高處水槽中水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為兩部分：一部分帶動(dòng)水磨轉(zhuǎn)動(dòng)或克服砂輪摩擦做功；

另一部分轉(zhuǎn)化為螺旋汲水器或抽水機(jī)的功,這部分功又轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能。根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律,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)。因此，這樣的永動(dòng)機(jī)也是不可能永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去的。圖4流水落差永動(dòng)機(jī)第9頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天浮力永動(dòng)機(jī)有人設(shè)計(jì)了如圖所示的“浮力永動(dòng)機(jī)”。永動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)繩上均勻地固定了許多密度小于水的小球，容器底部的管道內(nèi)徑與小球直徑相等，并為光滑配合。設(shè)計(jì)者認(rèn)為，左邊容器里的小球受到浮力的作用向上運(yùn)動(dòng)，管道中的小球也將被帶著向上運(yùn)動(dòng)，一旦這個(gè)小球要升出管道，其下的一個(gè)小球就會(huì)進(jìn)入管道而不使水漏出，因此永動(dòng)機(jī)將永不休止地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這類永動(dòng)機(jī)也沒(méi)有制成，是不是因?yàn)橐旅娴男∏蛲ㄟ^(guò)容器底部而不漏水有制造技術(shù)上的困難呢？技術(shù)上的問(wèn)題并不是主要問(wèn)題，主要問(wèn)題還是在原理上，當(dāng)下面的球穿過(guò)容器底的時(shí)候，它和容器底一樣，要承受上面水的壓力，會(huì)抵消上面球所受浮力，這個(gè)永動(dòng)機(jī)就無(wú)法制成了。圖5浮力永動(dòng)機(jī)第10頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二類永動(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，這就是第二類永動(dòng)機(jī)第11頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二類永動(dòng)機(jī) 歷史上首個(gè)成型的第二類永動(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)。

英國(guó)科學(xué)家焦耳也曾被永動(dòng)機(jī)這一“奇妙”的發(fā)明所吸引，并為此做了一二十年的實(shí)驗(yàn)，但最后他留給后世的并不是永動(dòng)機(jī)，而是證明永動(dòng)機(jī)不可能的“熱功當(dāng)量定律”，這應(yīng)該算是研究永動(dòng)機(jī)得到的意外收獲。第12頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天熱二律有很多種表述，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?！钡诙崃W(xué)定律的定義：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響；不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響。第13頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天

從單一熱源轉(zhuǎn)化為有用功而不產(chǎn)生其他影響；或不可能用無(wú)生命的機(jī)器把物質(zhì)的任何部分冷至比周圍最低溫度還低，從而獲得機(jī)械功。這就是熱力學(xué)第二定律的“開(kāi)爾文表述”。第14頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天物理學(xué)給出了一個(gè)熵增加原理，消滅了第二類永動(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?！钡?5頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天層出不窮的永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，都在科學(xué)的嚴(yán)格審查和實(shí)踐的無(wú)情檢驗(yàn)下一一失敗了，前輩們貌似犯了很多我們現(xiàn)在看起來(lái)很簡(jiǎn)單錯(cuò)誤，在我們現(xiàn)在看來(lái)可能感覺(jué)很好笑，但在當(dāng)時(shí)都是科學(xué)研究的前沿，是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的科技。科學(xué)研究要有理論作支撐。古人們對(duì)于永動(dòng)機(jī)研究失敗不是他們?nèi)狈炭嚆@研的精神而是他們當(dāng)時(shí)不知道能量守恒定律，熱力學(xué)第二定律，熵值增加原理等。啟示第16頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天今天的我們有機(jī)會(huì)捧起書(shū)本學(xué)習(xí)的東西都是