[科普中国]-为什么不存在永动机？

科学技术在生产和生活中的应用，让人类从繁重的体力劳动中解放了出来，但却消耗了许多能源和动力。于是人们又梦想发明一种机器，这种机器能源源不断地输出能量或动力，却不需要消耗任何外界的能量。人们曾设想如果能制成永动机，在不消耗任何自然资源的情况下，它就能获得无限动力。这确实是一个极度诱人的幻想！长时间以来，很多人投身于永动机的研制开发。但迄今为止却没有试验成功任何一种永动机。原因是什么呢？

随着自然科学的进步，我们知道，在工作原理上，永动机的设想是违背热力学基本定律的，所以根本不可能实现。热力学的四个基本定律在自然科学中是最为坚实的定律，是几百年来科学技术与经验的结晶，至今为止，我们还没有发现一例违反热力学基本定律的案例。

上述人们幻想的永动机可分为两类：第一类是违反热力学第一定律的永动机、第二类是违反热力学第二定律的永动机。那么，这两类永动机为什么不能实现呢？

未来的永动机构想图

违反热力学第一定律的永动机

热力学第一定律（即能量守恒和转换定律）揭示的是：“自然界中物质的能量可以从一种形式转变成为另一种形式，也可以从一个物体传递给另一个物体，但是在转变或传递过程中能量总和保持恒定。”而“第一类永动机”的工作原理就是不消耗能量就可以做功，与第一定律是相悖的。此类永动机的代表作是达·芬奇设计的永动机，该装置奢望利用不均衡的力矩作用，来使轮子绕中心轴转动，而且能源源不断地输出动力。但是，在某一确定的位置，由于所有圆球产生的力矩正好能够相互抵消，因此该装置根本就无法实现想象中的“永动”。在以后的时间里，大量设想利用浮力、电磁力、惯性力或毛细作用的第一类永动机制作实验相继宣告失败。早在1586年，荷兰科学家斯蒂文在《静力学基础》一书中就明确指出，利用力学方法无法制成永动机。

1775年，基于理论和实践证明的第一类永动机无法实现的事实，法兰西科学院通过决议，将拒绝审理“表现永恒运动的任何机器”。

违反热力学第二定律的永动机

第二类永动机是仅从一个能量源获取一定的动力，并永远运转的一种装置。此类永动机的代表作是美国发明家甘姆埃设计的以液氨为工作介质的“零度发动机”。该装置的工作原理是：液氨从周围环境中吸取热量，汽化后体积膨胀，推动活塞，将推动力输出，然后再自动凝结，放出热量给周围环境。在整个循环过程中，能量是守恒的，不违背第一定律，而且由于能量转换，输出的功，最终也以热量的形式释放给了环境，这样，环境的能量就能取之不竭了。上述的过程循环往复进行下去，就可以源源不断地做功了。这个设计看上去貌似可以实现，但与热力学第二定律却是相悖的，因此，实验当然没有成功，也是无法实现的幻想。

热力学第二定律揭示的是：不可能从单一热源取热并将其完全转换为功，而不对环境造成影响。热力学第二定律强调的是热量传递过程的方向性，尽管热量能够自发地从高温物体转移到低温物体，但这个转移的过程却必须耗损一定量的功。而甘姆埃的“零度发动机”却是一种从单一的热源获得热量，并将其转换为功的机械，液态氨从高温环境中吸热、气化的过程能够自发进行，但气态氨的凝结放热过程却不能自发实现，它必须有一个比环境温度低的冷源，而要想维持这个冷源，就需要消耗一定的能量，因此该装置的“永动”也是无法实现的。

法兰西科学院关于永动机的决议

1775年，法兰西科学院非常郑重地通过了一项决议，那就是永远不接受永动机的申请。《法兰西科学院的历史》一书中有如下记载：“这一年科学院通过决议，决定拒绝审理有关下列问题的解答：倍立方，三等分角，求与圆等面积的正方形，以及表现永恒运动的任何机器。”并做出如下解释：建造永动机是绝对不可能的，即便是中间的摩擦和阻力最终不至于破坏原来的动力，这个动力也不可能产生等同于原来的效果；再如，假设动力可以连续起作用，在一定时间之内，其效果也会是无限变小的。假如摩擦和阻力减少，初始的运动往往可能得以继续，但它却不能对其他物体作用。在这种假设（自然界不可能存在）中，唯一可能的永恒运动对实现永动机建造者的目的是毫无用处的。

塞纳河畔的法国科学院

热力学体系建立后，人们通过缜密的逻辑推理和研究证明，永动机是违背热力学基本原理的。目前美国专利及商标局也禁止将专利证书授予“永动机”之类的申请。

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