永動機是一種不需要外界輸入能量或者只需要一個初始能量就可以永遠做功的機器。永動機的想法起源于印度，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。人們企圖制造一種不消耗任何能量就能永遠做功的機器，來滿足社會資源需求。這種機器是不可能被制造出來的，其原因是違反能量守恒定律和熱力學定律。熱力學第一定律的表述方式之一就是：第一類永動機不可能實現。永動機的研究主要有三類：第一類永動機，因設計原理違反了熱力學第一定律，故名“第一類永動機”；第二類永動機：一種能在沒有溫度差的情況下，從某一巨大物質系統（如海水、空氣）不斷吸取熱量而將它轉換為機械能的發動機，因違反了熱力學第二定律，故名“第二類永動機”；第三類永動機：完全消除摩擦力和其他耗散力的永動機。實質上依舊違反熱力學第二定律。
研究永動機的失敗，驗證了能量守恒定律（熱力學第一定律）和熱力學第二定律的正確。推動了能量研究的發展。
研究歷史
公元1200年前后，永動機的研究想法最早起源于印度。這種思想從印度傳到了伊斯蘭教世界，并從那里傳到了西方。
第一類永動機
第一類永動機是最古老的永動機概念，這一類永動機試圖以機械的手段在不獲取能源的前提下使體系持續地向外界輸出能量。到資本主義發展初期，社會對動力需求越來越大，人力已經遠遠不能滿足需要，一些人開始深入研究“第一類永動機”。
巴斯卡拉的輪子
巴斯卡拉的輪子是有文字記載的歷史上最早的永動機，它是由印度人巴斯卡拉（Bascara）提出的，設計原理是：中間一個輪子，在輪子上連接著很多汞軸條，組成永動機。巴斯卡拉希望在輪子轉動時，軸條里的水銀也能不停的移動，依靠軸條力矩的不平衡性來實現永動機的不間歇運轉。巴斯卡拉的永動機設計方案對后人影響特別大，很多發明家都根據巴斯卡拉的設計方案進行改進。
永動輪
13世紀哥特式建筑工程師韋拉爾·德·奧努克爾（Veral De Onukal ）提出來：在一個輪子的邊緣上用合頁等距離地安上七個木槌，給其一個原動力使輪子轉動，在轉動以后，木槌就可以交替打擊輪緣，使輪子不停地轉動。后來，德國的伍斯特二世侯爵發明了一種“永動輪”，利用輪內鉛球下落的慣性力推動輪子轉動下去。由于輪上軸條形狀的特殊設計，當一邊的球靠近輪軸一側，另一邊的球就會滾到遠離輪軸的一側。轉動開始以后，輪內的鉛球就會交替地往返于輪緣與輪軸之間，由于慣性的作用，這個輪子就會轉個不停，成為一個“永動輪”。但是在實際應用中，這個“永動輪”轉不了幾圈就停下不動了。
螺旋汲水器
古希臘科學家阿基米德（Archimedes）也曾研究過永動機，他設計了一個名為阿基米德尾旋汲水器的裝置，裝置的原理是：先用人力把最上面一只水槽裝滿水，然后讓水一級一級地沖下來，沖動汲水器外面的一個個輪葉，從而轉動汲水器。汲水器把水汲上來以后，又可以補充水槽里的水，這樣螺旋汲水器就可以周而復始地運轉。這一設計如果不考慮摩擦等損耗，同時改進裝置，使水沖下來的功能全部利用，倒是有可能永動的。因為水先具備了一定的勢能，然后讓水的勢能變為動能，利用動能再來提高水的勢能，螺旋汲水器這樣循環下去，其間并沒有利用這些能量做別的功。但是，實際上摩擦損耗無法消除，這種汲水器也就不會永動。
亨內考的“磨輪（魔輪）”
13 世紀，法國人亨內考（Hennekau）設計出“磨輪”永動機。原理是：一個圓輪上連接著12根可以活動的桿，每根桿上都連接著1個鐵球。在“磨輪”順時針轉動時，下行桿和球會遠離“磨輪”中心，這時下行力矩變大。與此同時，上行的桿和球開始靠近“磨輪”中心，力矩逐漸減小。后人也依據這個設計方案設計出很多永動機，但從來沒有實現“永動”。原因是：在“磨輪”旋轉過程中，左邊的桿和球雖然力矩小，但是個數多，右邊相對來說個數少，在旋轉過程中，裝置重心會不斷移動，總有一個位置正、負力矩抵消，再加上摩擦、空氣阻力會損耗能量，“磨輪”一般轉動幾圈就會停下來。
磁力永動機
1670年，英國人約翰?維爾金斯（John Wilkins）設計了一種磁力“永動機”。原理是：在小柱上放一個強力的四氧化三鐵A。兩個斜的木槽M和N疊著倚靠在小柱旁邊，上槽M的上端有一個小孔C，下槽N是彎曲的。如果在上槽上放一個小鐵球B，那么由于磁鐵A的吸引力，小球會向上滾。可是滾到小孔處，它就要落到下槽N上，一直滾到N槽的下端，然后順著彎曲處D繞上來，跑到上槽M上。在這里，它又受到磁鐵的吸引，重新向上滾，再從小孔里落下去，沿著N槽滾下去，然后再經過彎曲處回到上槽里來，進行“永恒的運動”。可是小球在過程中不是在做單一的重力運動，它同時還受到磁力的作用，所以為了克服吸力，下滑速度是變慢的。當它滾到N槽的下端，無論如何都不能繼續維持原來的那一種速度，也就沒有辦法繞著彎曲處D上升了。
達·芬奇的永動機
達·芬奇（Leonardo di ser Piero da Vinci）設計了一個永動機機械，原理是：在順時針旋轉時，輪子右半面的球比左半面的球距離輪子中心遠，因此右半面球產生的力矩更大，輪子就會沿著順時針方向轉動下去。但實際上由于右邊的小球運動在凸面上，對軸的力矩大，而左邊的小球運動在凹面上，對軸的力矩小，也存在正、負力矩抵消的問題，再加上各種摩擦及空氣阻力，裝置終將停下來。達·芬奇敏銳地由此得出結論：永動機是不可能實現的。事實上，由杠桿平衡原理可知，上面兩個設計中，右邊每個重物施加于輪子的旋轉作用雖然較大，但是重物的個數卻較少。精確的計算可以證明，總會有一個適當的位置，使左右兩側重物施加于輪子的相反方向的旋轉作用（力矩）恰好相等，互相抵消，使輪子達到平衡而靜止下來。
放射性永動機
一位物理學家設計的一種使用放射性元素的“永動機”。它是在密閉的玻璃球殼1中，放入玻璃管2，將具有放射性的釷鹽3密封在玻璃管中，4是兩片彼此緊靠的金屬箔，5是貼在玻璃球殼內側的金屬板，金屬板接地。原理是：當兩片金屬箔吸收到放射線而帶同種電荷時將不停地排斥，每次排斥時向左右張開，觸到金屬板的內壁，立即收回，如此往復，形成金屬箔的“永動”。但是放射性元素釷具有放射性，出射的電子被金屬箔所吸收，金屬箔帶上同種電荷，互相排斥，金屬箔張開。隨著放射性元素釷不斷地進行衰變，它所提供的出射電子的數量將不斷減少，所以這種裝置并非 “永動機”。
1842年荷蘭科學家邁爾提出能量守恒和轉化定律；1843年英國科學家詹姆斯·焦耳提出熱力學第一定律，他們從理論上證明了能夠憑空制造能量的第一類永動機是不能實現的。熱力學第一定律的表述方式之一就是：第一類永動機不可能實現。第一類永動機的研究宣告失敗。
第二類永動機
經過無數次第一類永動機研究的失敗，尤其在熱力學第一定律提出后，人們不再進行第一類永動機的研究。一些發明家開始提出：既然能量不能憑空產生，是否能發明一種機械，它可以從外界吸收能量，然后用這些熱量對外做功，驅動機械轉動，這就是歷史上有名的第二類永動機。英國科學家焦耳也曾被永動機所吸引，并為此做了多年的實驗，最后他證明永動機不可能的“熱功當量定律”。
麥克斯韋精靈
為了從熱量中提取功，從而制造出第二種永動機，詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）想象：有一個容器，里面充滿處于熱平衡的氣體分子，有一個絕緣隔板將容器一分為二。容器內有一個精靈定期地打開隔板上的門，讓速度比平均要快的分子往同一方向流動，一段時間后，兩個空間就會產生溫度的差異，可以用來做功。在理查德·費曼提出的“布朗式棘輪”中，熱浴中的二極管允許一個方向的電流通過，而另一個方向的電流不允許，兩個空間會產生溫度差異，可用來做某些功，產生機械能。這些方案通常在兩個方面失敗：要么維持單向性需要耗費能量（需要麥克斯韋精靈做更多的熱力學工作來測量分子的速度，而不是由溫度差異引起的能量獲得量），要么單向性是一種假象（布朗式棘輪會受到內部布朗力的影響，因此有時甚至會轉錯方向）。
零度發動機
1881年美國華盛頓地區甘姆埃（Gamme）首先設計出一種第二類永動機的設計方案，稱為零度發動機。甘姆埃用液態氨做工作物質，從周圍環境中吸取熱量，氨由液態變為氣態，在0℃時產生4個大氣壓的壓強，可以推動活塞做功。他還進一步解釋說，氨氣在驅動活塞后因膨脹而冷卻，又會自動凝結于容器，于是就可循環地工作下去。零度發動機中的液氨汽化來源于海水的熱能，而不是發動機所帶的燃料。1881年他的設計得到美國海軍總工程師的支持。經過歷史驗證，甘姆埃設計的永動機最終無法實現，因為液氨雖然被暫時汽化，但沒有低溫熱源無法再重新液化，循環無法進行，因此無法推動設備持續的運轉。
卡諾熱機
1824年，法國工程師薩迪·卡諾（Nicolas Léonard Sadi Carnot）設計了一種工作于兩個熱源之間的理想熱機卡諾熱機，卡諾熱機從理論上證明了熱機的工作效率與兩個熱源的溫差相關。卡諾得出結論：熱機必須在兩個熱源之間工作，熱機的效率只取決于熱源的溫差，熱機效率即使在理想狀態下也不可能達到100%，即熱量不能完全轉化為功。1850年，克勞修斯在卡諾的基礎上提出了熱力學第二定律：在沒有某種動力的消耗或其他變化的情況下，不可能使熱從低溫轉移到高溫。次年，開爾文給出了熱力學第二定律的另一種表述方式：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變成有用功而不產生其他影響。熱力學第二定律宣告了制造第二類永動機的不可能性。
第三類永動機
熱力學第一定律和第二定律已經否定了第一類永動機和第二類永動機的產生，人們又將研究方向轉向物質循環。
生物圈2號
1990年，美國人在沙漠中建造了1公頃的溫室，然后參照地球的生物圈，分別在溫室中加入空氣、河流、樹林、動物和人等各種要素，該溫室稱為生物圈2號。生物圈2號這樣的系統，可以稱為半孤立系，它與外界沒有物質交換, 但是有能量交換， 人們希望外界輸入的能量能夠維系其內部物質的自循環。這個實驗違反的同樣是熱力學第二定律。熱力學第二定律不僅規定了能量轉化的方向，也規定了物質轉化的方向。生物圈2號中的物資不能完全回收，每個循環中都會有垃圾產生，即參加循環的物質會越來越少，最后系統將無法循環而崩潰。深入分析發現，生物圈2號違反了熱力學第二定律。熱力學第二定律是增加原理，不僅說明了能量轉化的方向，同樣說明了物質轉化的方向。
研究影響
由于制造永動機毫無結果，使人們相信永動機是不可能制造出來的，并且推出了能量守恒定律。雖然永動機的設想沒有實現，但在科學家深入探索永動機的過程中，對熱本質的認識不斷深入，促進了熱力學科的發展。雖然“永動機”的研究一無所獲，但荷蘭科學家西蒙·斯蒂文于16世紀末17世紀初在研究永動機的過程中，發現了斜面上力的平衡定律。
20世紀50年代，在中國也出現了一場發明永動機的熱潮。由于太多人熱衷于研究永動機并以此申請專利，王竹溪教授在1953年10月寫了一篇《永動機是不可能造成的》論文，發表在《物理通報》上。中國科學技術出版社出版了《永動機問題》一書，中國青年出版社也出版了《有永動機嗎？》。在美國由于太多人申請永動機方面的專利，美國法院在1990年判定專利部門不再接受任何永動機方面的專利申請。1775年，法國科學院宣布“本科學院以后不再審查有關永動機的一切設計”，在《法國科學院的歷史》中有如下記載:“這一年科學院通過決議，決定拒絕審理有關下列問題的解答：倍立方，三等分角，求與圓等面積的正方形，以及表現永恒運動的任何機器。”這說明在當時科學界，已經從長期所積累的經驗中，認識到制造永動機的企圖是沒有成功的希望的。這一決議不僅有利于人們正確認識科學，也有利于人們正確認識世界。
相關理論
1842年，荷蘭科學家邁爾提出能量守恒和轉化定律；1843年，英國科學家焦耳提出熱力學第一定律。能量守恒和轉化定律是19世紀的重大發現之一，它有3種表述：永動機不能造成；能量守恒和轉化定律以及熱力學第一定律。由理論上證明：能量守衡是物質運動的普遍規律之一，能量既不能被創造，也不能被消滅。因此，第一類永動機不可能實現。第一種永動機違反了“熱力學第一定律（能量守恒定律）”。后來，德國人魯道夫·克勞修斯和英國人開爾文提出熱力學第二定律：從單一熱源吸取熱量使之完全變為對外有用的功而不產生其他影響是不可能的，從而結束了第二類永動機的研究。
參考資料 >