[科普中国]-第一类永动机

发展历史

历史上最著名的第一类永动机是法国人亨内考在13世纪提出的“魔轮”。如图所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘等距地安装着12根活动短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。亨内考认为，魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂实现永动，向下行方向的悬臂在重力作用下会向下落下，原理转轮中心，使得下行方向力矩加大；而上行方向的悬臂在重力作用下靠近转轮中心。力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮的转动。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。1

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，便停在右图中所画的位置上。

15世纪，意大利著名的科学家、艺术家达·芬奇也曾设计了一个相同原理的类似装置，但试验却未获得成功。由此，达·芬奇敏锐地认识到永动机是不可能制成地，他劝告永动机的设计者们：“永恒运动地幻想家们！你们的探索是何等徒劳无功，还是去作淘金者吧。”1

17世纪，英国被关在伦敦塔下的犯人马尔基斯的，也曾复制了一台类似的转动永动机。转轮的直径约4.3m，有40个质量约为23kg的重球沿转轮辐条向外运动，轮流驱使转轮不断运动。据说他曾向英国国王查理一世表演过这一装置，国王见了十分高兴，就释放了他，其实这台机器由于有较大的自重，经推动后能依靠惯性维持一段时间的转动，但终究还是要停止的。1

16世纪70年代，意大利的以为机械师斯特尔又提出了一个流水落差永动机的设计方案。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。后来有人还设计了一台类似的永动机，但并没有成功。1

热力学发展初期，热和机械能的相互转化是人们研究的主题。在工业革命的推动下，工业上和运输上都相当广泛地使用蒸汽机。人们研究怎样消耗最少的燃料而获得尽可能多的机械能。甚至幻想制造一种机器，不需要外界提供能量，却能不断地对外做功，这就是所谓的第一类永动机。为了解决这个问题，促使人们都去研究热和机械能之间的关系问题。迈尔（J.R.Mayer）第一个提出了能量守恒定律，而此定律得到了物理学界的确认，却是在焦耳（J.P.Joule）的实验工作发表以后。

对永动机的反驳焦耳在1840～1848年间做了大量实验，测定了热与多种能量的相互转化时的严格的数量关系。以往热的单位是cal（卡），功以erg（尔格）为单位，焦耳的实验结果为1cal=4．184×10^7erg，这就是著名的热功当量。此后，更准确地测定为4．184×10^7erg，即4．184J（焦耳）。焦耳实验表明，自然界的一切物质都具有能量，它可以有多种不同的形式，但通过适当的装置，能从一种形式转化为另一种形式，在相互转化中，能量的总数量不变。能量守恒转换定律的建立，对制造永动机的幻想作了最后的判决，因而热力学第一定律的另一种表述为：“不可能制造出第一类永动机”。由此可见，热力学第一定律就是涉及热现象领域内的能量守恒和转化定律。