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永动机
永动机
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生,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.
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.
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.如左图所示：
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.
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 制造永动机梦想的破灭
永动机这个名词不是很恰当.如飞轮之类,一旦开始运动,若无磨擦阻力作用,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.
早期著名的一个永动机设计方案,是13世纪法国人亨内考提出的.亨内考设计的装置当时并不叫作永动机,而是按它特别吸引人的性质,把它叫做"魔轮".他在一个轮子的边缘上等距地安装12根活动短杆,杆端分别套上一个重球.无论轮子转到什么位置,右边的各个重球总比左边的各个重球离轴心更远一些.亨内考设想,右边更大的作用特别是甩过去的重球作用在离轴较远的距离上,就会压使轮子按照箭头所示的方向永不停息地旋转下去,至少要转到轮轴磨坏时为止.但是,实际上轮子转动一两圈后就停了下来.
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.
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.
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.