搜索
永动机研究与发展历程前言一、第一类永动机二、第二类永动机三、第三类永动机四、第四类永动机五、永动机发展的科学启示前言•历史上人们曾经热衷于研制各种类型的永动机，其中包括达文西，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。永动机的定义及起源•永动机是一类所谓不需外界输入能源、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。•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。第一类永动机•亨内考永动机•达芬奇之滚珠永动机•斯特尔之流水落差永动机亨内考永动机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。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，便停下来。达芬奇之滚珠永动机达·芬奇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。斯特尔之流水落差永动机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。斯特尔在设计时认为，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。第一类永动机的理论剖析•历史上，人们提出了很多种永动机的制作方案。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第一类永动机。•能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到:一个系统能够对外做功，要么是从外界吸收能量，要么是减小自己的内能。因此第一类永动机是不可能造出来的。第二类永动机•在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能被凭空制造出来的，只能从一种形式转移到另外一种形式，于是有人提出，设计一类装置，从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头，这就是第二类永动机。第二类永动机•历史上首个成型的第二类永动机模型是1881年美国人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。第二类永动机的理论剖析•物理学给出了一个熵增加原理，消灭了第二类永动机的可能性。熵增加原理说：“能量的转化是有方向的！”这个原理就是热力学的第二个定律。•还有一个直接针对第二永动机的表述是这样说的：“不可能从单一热源吸热作功，而不对环境造成影响。”第三类永动机•1990年代，美国人在亚利桑那州的沙漠里进行了一项实验，实验装置是一个硕大的温室，占地一公顷，在里面预先设置了河流、树林、草地、动物、人……总之，一切都是尽力模仿地球的生物圈而设计的，所以该温室被命名为生物圈２号。实验的设计者希望生物圈２号中的空气、水，动物、植物和人能够在阳光的作用下实现物质的自循环。生物圈２号内景图第三类永动机的理论剖析•第二生物圈的构想是典型的第三类永动机，它希望在封闭的物质系统内，依靠外界能量的输入，实现物质的自循环。•这个构想违背了一个基本的物理学事实，就是物资的回收率不可能是百分之百。每个循环都会有垃圾产生，参加循环的物质越来越少，最后使系统崩溃。当然，不可能否认的是，第二生物圈为物质的循环程度提供了一个非常好的实验。第四类永动机的理论剖析•定义：不违反能量守恒定律，卡诺定律，却能自发熵减的永动纳米材料。•由于第四类永动机理论所给出的熵拓展和其他支持理论给出的宇宙输入熵的相关支持论调，都未得到实践的证明和科学界的严格论证，第四类永动机不等于科学，充其量只能说是假说和科幻。永动机发展的科学启示•追寻永动机的失败经历，可以给我们启示: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。•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。他们对梦想的不断追求、对真理的探索的精神值得我们学习。谢谢观赏