最新永动机原理公布请物理专家指点
永动机是什么永动机是指违反热力学基本定律的不能实现的发动机。不消耗能量而能永远对外做功的机器,它违反了热力学第一定律,故称为第一类永动机。在没有温度差的情况下,从自然界中的海水或空气中不断吸取热量而使之连续地转变为机械能的机器,它违反了热力学第二定律,故称为第二类永动机。永动机这个名词不是很恰当。如飞轮之类,一旦开始运动,若无摩擦阻力作用,是可以永久继续运动下去的,这在实际上虽然不易实现,但是在道理上说得通,可以看作一种实际的极限情况。所谓永动机并不是指这种情况,不是试图去保持永恒的运动,而是期望在没有外界能源供给,即不消耗任何燃料和动力的情况下,源源不断地得到有用的功。如果这种永动机真的能够制成,那么就可以不使用任何自然能源无中生有地得到无限多的动力。
在人们还没有掌握自然的基本规律时,这种想法曾经引诱许多有杰出创造才能的人,他们付出了大量的智慧和劳动,追求这种梦想的实现。但是,没有任何一部永动机被实际地制造出来,也没有任何一个永动机的设计方案能受住科学的审查。永动机不可能存在的原因历史上有不少人希望设计一种机器,这种机器不消耗任何能量,却可以源源不断地对外做功。这种机器被称为永动机。历史上,人们提出了很多种永动机的制作方案,如本页的插图所示。虽然人们经过多种尝试,做了多种努力,但永动机无一例外的归于失败。人们把这种不消耗能量的机器叫做第一类永动机。能量守恒定律的发现,使人们进一步认识到:任何一部机器,只能使能量从一种形式转化为另一种形式,而不能无中生有的制造能量,因此第一类永动机是不可能造出来的。
能不能制造完全将不同种形式互相转化而无损失的热机呢?这种热机无冷凝器,只有单一的热源,它从这个单一的热源吸收的热量,可以全部用来做功,而不引起其他变化。不能!人们把这种想象中的热机称为第二类永动机。它虽然不违反质量守恒定律,但因为机械能和内能的转化具有方向性,它也不可能实现。永动机的梦想永动机的想法起源于印度,公元1200年前后,这种思想从印度传到了伊斯兰教世界,并从这里传到了西方。在欧洲,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。后来,文艺复兴时期意大利的达芬奇(Leonardo da Vinci,1452-1519)也造了一个类似的装置,他设计时认为,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,但实验结果却是否定的。
达芬奇敏锐地由此得出结论:永动机是不可能实现的。事实上,由杠杆平衡原理可知,上面两个设计中,右边每个重物施加于轮子的旋转作用虽然较大,但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明,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(力矩)恰好相等,互相抵消,使轮子达到平衡而静止下来。 流水的落差可以推动水轮机对外提供动力,能否用流水来设计永动机呢?16世纪70年代,意大利的一位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。浮力也是设计永动机的一个好帮手。是一个著名的浮力永动机设计方案。一连串的球,绕在上下两个轮子上,可以像链条那样转动。右边的一些球放在一个盛满水的容器里。设计者认为,右边如果没有那个盛水的容器,左右两边的球数相等,链条是会平衡的。但是,现在右边这些球浸在水里,受到了水的浮力,就会被水推着向上移动,也就带动整串球绕上下两个轮子转动。上面有一个球露出水面。
下面就有一个球穿过容器底,补充进来。 这样的永动机也没有制成,是不是因为要下面的球能够通过容器底,而又不能让水漏出来,制造起来技术上有困难呢?技术上的困难并不是主要问题,主要问题还是出在设计的原理上。当下面的球穿过容器底的时候,它和容器底一样,要承受上面水的压力,而且是因为在水的最下部,所以它受到的压力很大。这个向下的压力,就会抵消上面几个球所受的浮力,这个水动机也就无法永动了。 此外,人们还提出过利用轮子的惯性,细管子的毛细作用,电磁力等获得有效动力的种种永动机设计方案,但都无一例外地失败了。其实,在所有的永动机设计中,我们总可以找出一个平衡位置来,在这个位置上,各个力恰好下互抵消掉,不再有任何推动力使它运动。
所有永动机必然会在这个平衡位置上静止下来,变成不动机。 从哥特时代起,这类设计方案越来越多。17世纪和18世纪时期,人们又提出过各种永动机设计方案,有采用螺旋汲水器的,有利用轮子的惯性、水的浮力或毛细作用的,也有利用同性磁极之间排斥作用的。宫廷里聚集了形形色色的企图以这种虚幻的发明来挣钱的方案设计师。有学识的和无学识的人都相信永动机是可能的。这一任务像海市蜃楼一样吸引着研究者们,但是,所有这些方案都无一例外的以失败告终。他们长年累月地在原地打转,创造不出任何成果。通过不断的实践和尝试,人们逐渐认识到:任何机器对外界做功,都要消耗能量。不消耗能量,机器是无法做功的。这时的一些著名科学家斯台文、惠更斯等都开始认识到了用力学方法不可能制成永动机。
永动机梦想的破灭19世纪中叶,一系列科学工作者为正确认识热功能转化和其它物质运动形式相互转化关系做出了巨大贡献,不久后伟大的能量守恒和转化定律被发现了。人们认识到:自然界的一切物质都具有能量,能量有各种不同的形式,可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,在转化和传递的过程中能量的总和保持不变。能量守恒的转化定律为辩证唯物主义提供了更精确、更丰富的科学基础。有力地打击了那些认为物质运动可以随意创造和消灭的唯心主义观点,它使永动机幻梦被彻底的打破了。在制造第一类永动机的一切尝试失败之后,一些人又梦想着制造另一种永动机,希望它不违反热力学第一定律,而且既经济又方便。
比如,这种热机可直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为机械功。由于海洋和大气的能量是取之不尽的,因而这种热机可永不停息地运转做功,也是一种永动机。然而,在大量实践经验的基础上,英国物理学家开尔文于1851年提出了一条新的普遍原理:物质不可能从单一的热源吸取热量,使之完全变为有用的功而不产生其它影响。这样,第二类永动机的想法也破产了。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的,法国科学院宣布"本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计"。这说明在当时科学界,已经从长期所积累的经验中,认识到制造永动机的企图是没有成功的希望的。
永动机的想法在人类历史上持续了几百年,这个神话的被驳倒,不仅有利于人们正确的认识科学,也有利于人们正确的认识世界。能量既不能凭空产生 也不能凭空消失 只能从一种形式转化成另一种形式 或者从一个物体转移到另一个物体 在转化和转移过程中 能量的总和不变 这就是能量守恒定律了 所以第一类永动机是不能做出来的。而能量的转化和转移是有方向的,就像热量可以自发的由热的物体转移到冷的物体 但不能自发的由冷的物体转移到热的物体 而不引起其他的变化 所以第二类永动机也是不能做出来的。历史上有不少人企图设计一种机器,它不消耗能量,却可以不停息地转动甚至源源不断地对外做功,这就是人们所说的永动机。
虽然经过许多人的辛劳,但事实证明他们无一例外地都归于失败。 永动机是一种幻想,永远不可能成功,因为它违反了自然界最普遍的一个规律,这就是能量转化与守恒定律。 著名科学家达芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想,他曾设计过一种转轮,如图所示,在转轮边沿安装一系列的容器,容器中充了一些水银,他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动,但是经过仔细研究之后,得出了否定的结论。他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的。他写道:永恒运动的幻想家们!你们的探索何等徒劳无功!还是去做淘金者吧! 然而,15世纪以后的好几百年里面,制造永动机的活动却从未停止过。例如: 17世纪,英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人,他做了一台可以转动的永动机,如图所示。
转轮直径达4.3米,有40个各重23千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动,使力矩加大,待转到高处时,钢球会自动地滚向中心。据说,他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴,就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的。 软臂永动机 19世纪有人设计了一种特殊机构,如图所示。它的臂可以弯曲。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,阻力却增大了,转轮只能停止在原地。 阿基米得螺旋永动机 1681年,英国有一位著名的医生弗拉德提出一个建议,利用阿基米得螺旋(如图)把水池的水提到高处,再让升高的水推动水轮机,水轮机除了带动水磨做功以外,还可使阿基米得螺旋转不断提水,如此周而复始,不就可以无需担心天旱水枯了吗?一时间,响应他的人大有人在,形形色色的自动水轮机陆续提出,竟出现了热潮。
磁力永动机 大约在1570年,意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯,提出用磁石的吸力可以实现永动机。 他的设计如图所示,A是一个磁石,铁球C受磁石吸引可沿斜面滚上去,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。大概他那时还没有建立库仑定律,不知道磁力大小是与距离的平方成反比变化的,只要认真想一想,其荒谬处就一目了然了。
类似的例子还有许多,这里就不详细描述了。我们只要列举一些名称,就足以说明这类徒劳无益的活动是如何广泛、诱人。例如:表面张力永动机、浮力永动机、永磁永动机、自动车、自动洗衣机,等等。 就在一些人热衷于制造永动机的同时,科学家们从力学基本理论的研究中逐步认识到了自然界的客观规律性。继达芬奇之后,斯蒂文于1568年写了一本《静力学基础》,其中讨论斜面上力的分解问题时,明确地提出了永动机不可能实现的观点。他所用的插图画在该书扉页上,见图,图的上方写着:神奇其实并不神奇。将14个等重的小球均匀地用线穿起组成首尾相连的球链,放在斜面上,他认为链的运动没有尽头是荒谬的,所以两侧应平衡。
1775年,法国科学家郑重通过了一项决议,拒绝审理永动机。在《法国科学院的历史》一书中有如下记载: 这一年科学院通过决议,决定拒绝审理有关下列问题的解答:倍立方,三等分角,求与圆等面积的正方形,以及表现永恒运动的任何机器。 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,其效果在一定时间之内也会是无限小。如果摩擦和阻力减小,初始的运动往往得以继续,但它不能与其他物体作用,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。这些研究的缺点是费用极度昂贵,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,往往为此浪费了他们的工具、时间和聪明才智。
然而,就是在法国科学院如此明确的警告之下,创造永动机的各种活动仍然未见收敛。19世纪中叶,能量守恒定律已经确立。1861年,英国有一位工程师德尔克斯收集了大量资料,写成一本名为《17、18世纪的永动机》的书,告诫人们,切勿妄想从永恒运动的赐予中获取名声和好运。 可是,德尔克斯这部警世恒言却未能阻止永动机的继续泛滥。 19世纪末美国宾州有人想用磁铁代替钟摆的锤,企图用磁力做功代替发条,认为有可能无需发条而能自动维持摆动,结果是徒劳一场毫无成果。 进入20世纪,更加复杂的、似是而非的种种设计不断被提了出来。
例如有人想发明自动车,有人创造自动洗衣机,有人想利用水中的分子吸引力制造自动泵,有人想单纯靠永久磁铁做成发电机,特别是在能源危机的刺激下,这类活动竟有增无减,层出不穷。 另一类永动机也常被人提出而且还很迷惑人。如19世纪80年代,美国华盛顿地区有一位发明家甘姆埃,设计了一种零度发动机(Zeromotor),用液态氨做工作物质,从周围环境中吸取热量,氨由液态变为气态,在0℃时产生4个大气压的压强,可以推动活塞做功,似乎这样就可以不需使用燃料。他还进一步解释说,氨气在驱动活塞后因膨胀而冷却,又会自动凝结于容器,于是就可循环地工作下去。1881年他的设计居然得到美国海军总工程师的支持,受到官方赞扬,甚至当时的美国总统也极有兴趣地观看了设计模型。
他们也许认为,如果这种发动机真的成功,美国舰队就不需要加煤站,从***大海中就可以取得无穷无尽的热能了。然而,只要科学地分析一下,就会发现甘姆埃的设计是属于单热源的热机,它违反了热力学第二定律,这就是不可能实现的第二类永动机。 如果说永动机的发明对人类有点益处的话,那就是人们可以从中吸取教训:一切违背能量转化与守恒定律等自然规律的创造都是注定要失败的。读了这些发明永动机的故事,大家有什么感想?科学规律不容违反,违反了就要碰壁,大家千万不要做那种徒劳无功的事啊! 科学技术的发展应该用在如何尽量减少不必要的能量损耗,而不是去研制永远不能实现的永动机。
永动机的启示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霍兹(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? 19世纪中叶,能量转化和守恒原理得到了科学界的普遍承认。
这一原理指出:自然界的一切物质都具有能量,对应于不同的运动形式,能量也有不同的形式,如机械运动的动能和势能,热运动的内能,电磁运动的电磁能,化学运动的化学能等,他们分别以各种运动形式特定的状态参量来表示。当运动形式发生变化或运动量发生转移时,能量也从一种形式转化为另一种形式,从一个系统传递给另一个系统;在转化和传递中总能量始终不变。 还有另外一种非常美妙的幻想,它并不违反能量转化和守恒原理。
假如能把空气或海水里的热能,通过一种巧妙的机器,全部转化成我们所需要的机械功,这可以成为取之不尽、用之不竭的能源。发明这种机器的想法,比起前面要凭空产生能量的想法聪明得多了。如果这种机器真能发明的话,还有另一好处,一方面我们可以把一种东西里面的热能取出来做功,同时还会使这种东西的温度降低。这样,我们可以在海洋上设置一些巨大的工厂,利用海水里的热能,来进行各种不同的工作,比如利用它来发电,一只轮船可以利用海水中的热量,不必烧煤或烧油,就能到世界各地去航行,这岂非美事!这可称作第二种永动机,也是不可能实现的,因为它和热力学第二定律相违背。 热力学第二定律是由无数次实践证明了的客观规律。它可以表述为:从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功而不产生其他影响是不可能的。
这也就是说,热机不可能有100%的效率,它要在把从高温热源吸收的一部分热量变为有用功的同时,把另一部分热量放到低温热源。 追寻永动机的失败经历,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原理建立的思考线索之一;其次,要依据科学规律办事。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,只是由于他们做的是违背客观规律的工作。在人们还没有认识能量传递和转化的规律之前,对那些寻求永动机的努力遭到的失败,我们只能感到遗憾,但是,如果在今天还有人去设计永动机,那他就是愚蠢的,是违反科学规律的,也是永远不会成功的。
人类利用自然,必须遵守自然规律,而不是去研制永远不能实现的永动机。永动机骗局历史上曾经无数人痴迷于永动机的设计和制造,在热力学体系建立之前,这些人中即有科学家,也有希望借此成名发财的投机者,而热力学体系建立后,致力于永动机设计的除了希望打破现有科学体系的民间科学家外,更多的则是一些借永动机之名牟取钱财的骗子。历史上著名的永动机骗局有:△自动轮骗局:1714年,德国人奥尔菲留斯声称发明了一部名为自动轮的永动机,这部机器每分钟旋转六十转,并能够将16公斤的物体提高相当的高度,当他宣布了这一消息并进行了公开实验后,名噪整个德国。
1717年一位来自波兰的州长在验看了安放自动轮的房间后,派军队把守这座房屋,40天他发现自动轮仍在转动,便给奥尔菲留斯颁发了鉴定证书。奥尔菲留斯靠展出自动轮获取了大量金钱,俄国沙皇彼得一世甚至与他达成价值10万卢布的购买协议。最终由于奥尔菲留斯的太太与女仆发生争执,女仆愤而曝光,原来自动轮是依靠隐藏在房间夹壁墙中的女仆牵动缆绳运转的,整个事件是一个骗局。 △王洪成骗局:中国哈尔滨人王洪成曾在1984年提出一个永动机方案,他利用他设计的永动机驱动自家的洗衣机、电扇等装置运转,不久骗局被揭穿,他制作的永动机模型是用隐藏的钮扣电池驱动的一个电动马达,而供应洗衣机、电扇运转的则是暗藏在地下的电线。
1998年,王洪成的另一个骗局水变油被揭穿,他本人也因此入狱。 另外在1980年代的巴黎博览会上,曾展出过一种永动机装置:这个装置是一个不停转动的大轮子,参观博览会的观众对这架永动机非常好奇,纷纷逆旋转方向推动轮盘,以期阻止轮子的转动。这个永动装置的设计者正是利用了观众的好奇心,让他们向后转动轮盘的动作为永动机上紧发条,维持装置的运转。此外,前***军队第12兵团司令官黄维,1948年在国共内战的徐蚌会战被俘之后,送至功德林战犯管理所接受改造,至1975年释放期间,他不顾众人异议,在所内潜心研制永动机,十分有名。最后当然仍以失败告终。读了这些发明永动机的故事,大家有什么感想?科学规律不容违反,违反了就要碰壁,大家千万不要做那种徒劳无功的事啊!
科学技术的发展应该用在如何尽量减少不必要的能量损耗,而不是去研制永远不能实现的永动机。第一类永动机历史上有不少人有过这样美好的愿望:制造一种不需要动力的机器,它可以源源不断的对外界做功,这样可以无中生有的创造出巨大的财富来,在科学历史上从没有过永动机成功过,能量守恒定律的发现,使人们认识到:任何一部机器,只能使能量从一种形式转化为另一种形式,而不能无中生有的制造能量。因此根本不能制造永动机。它违背热力学第一定律:物体内能的增加等于物体从外界吸收的热量与物体对外界所做功的总和。第二类永动机曾经有人设计一类机器,希望它从高温热库(例如锅炉)吸取热量后全部用来做功,不向低温热库排出热量。这种机器的效率不是可以达到100%了吗?这种机器不违背能量守恒定律,但是都没有成功。人们吧这种只从单一热库吸热,同时不间断的做功的永动机叫第二类永动机。这种永动机不可能制成,是因为机械能与内能的转化具有方向性:机械能可以转化内能,但内能却不能全部转化为机械能,而不引起其它变化。
