关于永动机为什么无法实现

永动机是一类想象中的不需外界输入能源、能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断运动并且对外做功的机械。历史上人们曾经热衷于研制各种类型的永动机,其中包括达芬奇、焦耳这样的学术大家,另外包括一些希望以永动机出名和获利的骗子。在热力学体系建立后,人们通过严谨的逻辑证明了永动机是违反热力学基本原理的设想,从此之后就少有永动机的研究者了。不过从一个侧面也可以认为,人类对永动机的热情以及制造永动机的种种实践,推动了热力学体系的建立和机械制造技术的进步。

因为永动机的研究可以突破人类现有知识水平,所以无数科学家都在热衷于这个项目,甚至于包括原***将领黄维也在狱中研究永动机。

1775年法国巴黎科学院通过决议,宣布永不接受永动机,现在美国专利与商标局严禁将专利证书授予永动机类申请,而永动机这个名词现在更多地作为一种修辞被用来描述那些充满活力,不知疲倦的人。

关于永动机为什么无法实现,恐怕原因再简单不过了,因为它违反了能力守恒定律。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。它虽然不违反能量守恒定律,但因为机械能和内能的转化具有方向性,它也不可能实现。

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。

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。是一个着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,各个力恰好相互抵消掉,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。这时的一些着名科学家斯台文、惠更斯等都开始认识到了用力学方法不可能制成永动机。

以上的只是一些永动机发明的例子,也有许多在在民间默默得研制永动机,但是,按照质量守恒定律,永动机是无法被发明的。能量守恒定律,是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。从物理、化学到地质、生物,大到宇宙天体。小到原子核内部,只要有能量转化,就一定服从能量守恒的规律。从日常生活到科学研究、工程技术,这一规律都发挥着重要的作用。人类对各种能量,如煤、石油等燃料以及水能、风能、核能等的利用,都是通过能量转化来实现的。所以按照目前的世界观,永动机或许无法研制成功。