關(guān)于永動(dòng)機(jī)為什么無(wú)法實(shí)現(xiàn)

永動(dòng)機(jī)是一類(lèi)想象中的不需外界輸入能源、能量或在僅有一個(gè)熱源的條件下便能夠不斷運(yùn)動(dòng)并且對(duì)外做功的機(jī)械。歷史上人們?cè)?jīng)熱衷于研制各種類(lèi)型的永動(dòng)機(jī)，其中包括達(dá)芬奇、焦耳這樣的學(xué)術(shù)大家，另外包括一些希望以永動(dòng)機(jī)出名和獲利的騙子。在熱力學(xué)體系建立后，人們通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬜C明了永動(dòng)機(jī)是違反熱力學(xué)基本原理的設(shè)想，從此之后就少有永動(dòng)機(jī)的研究者了。不過(guò)從一個(gè)側(cè)面也可以認(rèn)為，人類(lèi)對(duì)永動(dòng)機(jī)的熱情以及制造永動(dòng)機(jī)的種種實(shí)踐，推動(dòng)了熱力學(xué)體系的建立和機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步。

因?yàn)橛绖?dòng)機(jī)的研究可以突破人類(lèi)現(xiàn)有知識(shí)水平，所以無(wú)數(shù)科學(xué)家都在熱衷于這個(gè)項(xiàng)目，甚至于包括原國(guó)民黨將領(lǐng)黃維也在獄中研究永動(dòng)機(jī)。

1775年法國(guó)巴黎科學(xué)院通過(guò)決議，宣布永不接受永動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在美國(guó)專(zhuān)利與商標(biāo)局嚴(yán)禁將專(zhuān)利證書(shū)授予永動(dòng)機(jī)類(lèi)申請(qǐng)，而永動(dòng)機(jī)這個(gè)名詞現(xiàn)在更多地作為一種修辭被用來(lái)描述那些充滿(mǎn)活力，不知疲倦的人。

關(guān)于永動(dòng)機(jī)為什么無(wú)法實(shí)現(xiàn)，恐怕原因再簡(jiǎn)單不過(guò)了，因?yàn)樗`反了能力守恒定律。第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到：任何一部機(jī)器，只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不能無(wú)中生有的制造能量，因此第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能造出來(lái)的。能不能制造完全將不同種形式互相轉(zhuǎn)化而無(wú)損失的熱機(jī)呢？這種熱機(jī)無(wú)冷凝器，只有單一的熱源，它從這個(gè)單一的熱源吸收的熱量，可以全部用來(lái)做功，而不引起其他變化。不能！人們把這種想象中的熱機(jī)稱(chēng)為第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)。它雖然不違反能量守恒定律，但因?yàn)闄C(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性，它也不可能實(shí)現(xiàn)。

文藝復(fù)興時(shí)期意大利的達(dá)·芬奇（Leonardo da Vinci，1452-1519）也造了一個(gè)類(lèi)似的裝置，他設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為，右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠(yuǎn)些，在兩邊不均衡的作用下會(huì)使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)不息，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是否定的。達(dá)·芬奇敏銳地由此得出結(jié)論：永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，由杠桿平衡原理可知，上面兩個(gè)設(shè)計(jì)中，右邊每個(gè)重物施加于輪子的旋轉(zhuǎn)作用雖然較大，但是重物的個(gè)數(shù)卻較少。精確的計(jì)算可以證明，總會(huì)有一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢?，使左右兩?cè)重物施加于輪子的相反方向的旋轉(zhuǎn)作用（力矩）恰好相等，互相抵消，使輪子達(dá)到平衡而靜止下來(lái)。

16世紀(jì)70年代，意大利的一位機(jī)械師斯特爾又提出了一個(gè)永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。他在設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為，由上面水槽流出的水，沖擊水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪在帶動(dòng)水磨轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過(guò)一組齒輪帶動(dòng)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，整個(gè)裝置可以這樣不停地運(yùn)轉(zhuǎn)下去，并有效地對(duì)外做功。實(shí)際上，流回水槽的水越來(lái)越少，很快水槽中的水就全部流進(jìn)了下面的蓄水池，水輪機(jī)也就停止了轉(zhuǎn)動(dòng)。浮力也是設(shè)計(jì)永動(dòng)機(jī)的一個(gè)好幫手。是一個(gè)著名的浮力永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案。一連串的球，繞在上下兩個(gè)輪子上，可以像鏈條那樣轉(zhuǎn)動(dòng)。右邊的一些球放在一個(gè)盛滿(mǎn)水的容器里。設(shè)計(jì)者認(rèn)為，右邊如果沒(méi)有那個(gè)盛水的容器，左右兩邊的球數(shù)相等，鏈條是會(huì)平衡的。但是，現(xiàn)在右邊這些球浸在水里，受到了水的浮力，就會(huì)被水推著向上移動(dòng)，也就帶動(dòng)整串球繞上下兩個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。上面有一個(gè)球露出水面。下面就有一個(gè)球穿過(guò)容器底，補(bǔ)充進(jìn)來(lái)。這樣的永動(dòng)機(jī)也沒(méi)有制成，是不是因?yàn)橐旅娴那蚰軌蛲ㄟ^(guò)容器底，而又不能讓水漏出來(lái)，制造起來(lái)技術(shù)上有困難呢？技術(shù)上的困難并不是主要問(wèn)題，主要問(wèn)題還是出在設(shè)計(jì)的原理上。當(dāng)下面的球穿過(guò)容器底的時(shí)候，它和容器底一樣，要承受上面水的壓力，而且是因?yàn)樵谒淖钕虏?，所以它受到的壓力很大。這個(gè)向下的壓力，就會(huì)抵消上面幾個(gè)球所受的浮力，這個(gè)水動(dòng)機(jī)也就無(wú)法永動(dòng)了。

此外，人們還提出過(guò)利用輪子的慣性，細(xì)管子的毛細(xì)作用，電磁力等獲得有效動(dòng)力的種種永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，但都無(wú)一例外地失敗了。其實(shí)，在所有的永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，我們總可以找出一個(gè)平衡位置來(lái)，在這個(gè)位置上，各個(gè)力恰好相互抵消掉，不再有任何推動(dòng)力使它運(yùn)動(dòng)。所有永動(dòng)機(jī)必然會(huì)在這個(gè)平衡位置上靜止下來(lái)，變成不動(dòng)機(jī)。從哥特時(shí)代起，這類(lèi)設(shè)計(jì)方案越來(lái)越多。17世紀(jì)和18世紀(jì)時(shí)期，人們又提出過(guò)各種永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，有采用“螺旋汲水器”的，有利用輪子的慣性、水的浮力或毛細(xì)作用的，也有利用同性磁極之間排斥作用的。宮廷里聚集了形形色色的企圖以這種虛幻的發(fā)明來(lái)掙錢(qián)的方案設(shè)計(jì)師。有學(xué)識(shí)的和無(wú)學(xué)識(shí)的人都相信永動(dòng)機(jī)是可能的。這一任務(wù)像海市蜃樓一樣吸引著研究者們，但是，所有這些方案都無(wú)一例外的以失敗告終。他們長(zhǎng)年累月地在原地打轉(zhuǎn)，創(chuàng)造不出任何成果。通過(guò)不斷的實(shí)踐和嘗試，人們逐漸認(rèn)識(shí)到：任何機(jī)器對(duì)外界做功，都要消耗能量。不消耗能量，機(jī)器是無(wú)法做功的。這時(shí)的一些著名科學(xué)家斯臺(tái)文、惠更斯等都開(kāi)始認(rèn)識(shí)到了用力學(xué)方法不可能制成永動(dòng)機(jī)。

以上的只是一些永動(dòng)機(jī)發(fā)明的例子，也有許多在在民間默默得研制永動(dòng)機(jī)，但是，按照質(zhì)量守恒定律，永動(dòng)機(jī)是無(wú)法被發(fā)明的。能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。從物理、化學(xué)到地質(zhì)、生物，大到宇宙天體。小到原子核內(nèi)部，只要有能量轉(zhuǎn)化，就一定服從能量守恒的規(guī)律。從日常生活到科學(xué)研究、工程技術(shù)，這一規(guī)律都發(fā)揮著重要的作用。人類(lèi)對(duì)各種能量，如煤、石油等燃料以及水能、風(fēng)能、核能等的利用，都是通過(guò)能量轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以按照目前的世界觀，永動(dòng)機(jī)或許無(wú)法研制成功。