作者：荣雪

摘 要：在初中学习能量守恒定律时，课本中曾提出永动机是不可能实现的。什么是永动机呢？前人在此研究上是否取得什么成果呢？为什么永动机不可能实现呢？经过查阅资料并结合课本知识，我们总结前人经验以及利用能量守恒定律来解决了以上问题。

关键词：永动机；能量守恒定律；热力学第二定律

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1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，便停下来。

图1 亨内考设计的的永动机装置

后来，文艺复兴时期意大利的达·芬奇也造了一个类似的装置，如图2。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。

图2 达·芬奇设计的的永动机装置

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。

达·芬奇敏锐地由此得出结论：永动机是不可能实现的。

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，也创造不出任何成果。

为何永动机不可能实现呢？要想解决这个问题，我们首先要了解到底什么是永动机？

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。

我们将不消耗能量而能永远对外做功的机器称为“第一类永动机”。

说到这里，就不得不提到自然界的三大守恒定律之一——能量守恒定律。早在初中的课本上我们便了解到了这一定律——能量既不能创造，也不会消灭；当能量从一个物体转移到其他物体或从一种形式转化为其他形式时，总量不变。

“第一类永动机”正是因为违背了能量守恒定律而不可能实现。当永动机对外做功时，于外界而言，它得到了能量。由于能量的总量不会发生变化，所以永动机自然也会消耗能量。如果永动机不得到外界输入的能源的话，等到能量耗尽，便会停止运动，所以“第一类永动机”不可能实现。而“第一类永动机”的失败，也从反面证明了能量守恒定律的正确性。

当然，除了“第一类永动机”以外，还有“第二类永动机”——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。

“第二类永动机”的失败源于它违反了热力学第二定律。热力学第二定律是热力学基本定律之一。

英国物理学家开尔文在研究卡诺和焦耳的工作时，发现了某种不和谐:按照能量守恒定律，热和功应该是等价的，可是按照卡诺的理论，热和功并不是完全相同的，因为功可以完全变成热而不需要任何条件，而热产生功却必须伴随有热向冷的耗散。他在1849年的一篇论文中说:“热的理论需要进行认真改革，必须寻找新的实验事实。”同时代的克劳修斯也认真研究了这些问题，他敏锐地看到不和谐存在于卡诺理论的内部。他指出卡诺理论中关于热产生功必须伴随着热向冷的传递的结论是正确的，而热的量(即热质)不发生变化则是不对的。克劳修斯在1850年发表的论文中提出，在热的理论中，除了能量守恒定律以外，还必须补充另外一条基本定律:“没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从低温转移到高温。”这条定律后来被称作热力学第二定律。

在这种表述中，指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这个转变过程是不可逆的。要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗功来实现，那么“第二类永动机”则不可能实现。

从能量消耗角度，开尔文提出：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。在开尔文表述中，更加直接地说明了“第二类永动机”不可能实现。热机能连续不断地将热变为机械功，一定伴随有热量的损失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。

无论是“第一类永动机”还是“第二类永动机”，都违反了当前客观的科学规律.，因而不能被创造出来，无法实现。

参考文献：

[1] 360百科：永动机（https://baike.so.com/doc/5399116-5636602.html）

[2] 人教版九年级下册物理教科书

[3] 360百科：热力学第二定律（https://baike.so.com/doc/2322281-2456384.html）