永動機研究與發展歷程前言一、第一類永動機二、第二類永動機三、第三類永動機四、第四類永動機五、永動機發展的科學啟示前言歷史上人們曾經熱衷于研制各種類型的永動機，其中包括達文西，焦耳這樣的學術大家，另外包括一些希望以永動機出名和獲利的騙子。在熱力學體系建立后，人們通過嚴謹的邏輯證明了永動機是違反熱力學基本原理的設想，從此之后就少有永動機的研究者了。不過從一個側面也可以認為，人類對永動機的熱情以及制造永動機的種種實踐，推動了熱力學體系的建立和機械制造技術的進步。永動機的定義及起源永動機是一類所謂不需外界輸入能源、能量或在僅有一個熱源的條件下便能夠不斷運動并且對外做功的機械。永動機的想法起源于印度,公元1200年前后,這種思想從印度傳到了伊斯蘭教世界,并從這里傳到了西方。第一類永動機亨內考永動機達芬奇之滾珠永動機斯特爾之流水落差永動機亨內考永動機輪子中央有一個轉動軸，輪子邊緣安裝著12個可活動的短桿，每個短桿的一端裝有一個鐵球。方案的設計者認為，右邊的球比左邊的球離軸遠些，因此，右邊的球產生的轉動力矩要比左邊的球產生的轉動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著箭頭所指的方向轉動下去，并且帶動機器轉動。雖然右邊每個球產生的力矩大，但是球的個數少，左邊每個球產生的力矩雖小，但是球的個數多。于是，輪子不會持續轉動下去而對外做功，只會擺動幾下，便停下來。

達芬奇之滾珠永動機達·芬奇也造了一個類似的裝置，他設計時認為，右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠些，在兩邊不均衡的作用下會使輪子沿箭頭方向轉動不息，但實驗結果卻是否定的。達·芬奇敏銳地由此得出結論：永動機是不可能實現的。事實上，由杠桿平衡原理可知，上面兩個設計中，右邊每個重物施加于輪子的旋轉作用雖然較大，但是重物的個數卻較少。精確的計算可以證明，總會有一個適當的位置，使左右兩側重物施加于輪子的相反方向的旋轉作用（力矩）恰好相等，互相抵消，使輪子達到平衡而靜止下來。斯特爾之流水落差永動機16世紀70年代，意大利的一位機械師斯特爾又提出了一個永動機的設計方案。斯特爾在設計時認為，由上面水槽流出的水，沖擊水輪轉動，水輪在帶動水磨轉動的同時，通過一組齒輪帶動螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想，整個裝置可以這樣不停地運轉下去，并有效地對外做功。實際上，流回水槽的水越來越少，很快水槽中的水就全部流進了下面的蓄水池，水輪機也就停止了轉動。第一類永動機的理論剖析歷史上，人們提出了很多種永動機的制作方案。雖然人們經過多種嘗試，做了多種努力，但永動機無一例外的歸于失敗。人們把這種不消耗能量的機器叫第一類永動機。能量守恒定律的發現，使人們進一步認識到:一個系統能夠對外做功，要么是從外界吸收能量，要么是減小自己的內能。因此第一類永動機是不可能造出來的。第二類永動機在熱力學第一定律問世后，人們認識到能量是不能被憑空制造出來的，只能從一種形式轉移到另外一種形式，于是有人提出，設計一類裝置，從海洋、大氣乃至宇宙中吸取熱能，并將這些熱能作為驅動永動機轉動和功輸出的源頭，這就是第二類永動機。第二類永動機歷史上首個成型的第二類永動機模型是1881年美國人約翰·嘎姆吉為美國海軍設計的零發動機，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，推動機械運轉。但是這一裝置無法持續運轉，因為汽化后的液氨在沒有低溫熱源存在的條件下無法重新液化，因而不能完成循環。

第二類永動機的理論剖析物理學給出了一個熵增加原理，消滅了第二類永動機的可能性。熵增加原理說：“能量的轉化是有方向的！”這個原理就是熱力學的第二個定律。還有一個直接針對第二永動機的表述是這樣說的：“不可能從單一熱源吸熱作功，而不對環境造成影響。”第三類永動機1990年代，美國人在亞利桑那州的沙漠里進行了一項實驗，實驗裝置是一個碩大的溫室，占地一公頃，在里面預先設置了河流、樹林、草地、動物、人……總之，一切都是盡力模仿地球的生物圈而設計的，所以該溫室被命名為生物圈２號。實驗的設計者希望生物圈２號中的空氣、水，動物、植物和人能夠在陽光的作用下實現物質的自循環。

生物圈２號內景圖第三類永動機的理論剖析第二生物圈的構想是典型的第三類永動機，它希望在封閉的物質系統內，依靠外界能量的輸入，實現物質的自循環。這個構想違背了一個基本的物理學事實，就是物資的回收率不可能是百分之百。每個循環都會有垃圾產生，參加循環的物質越來越少，最后使系統崩潰。當然，不可能否認的是，第二生物圈為物質的循環程度提供了一個非常好的實驗。第四類永動機的理論剖析定義：不違反能量守恒定律，卡諾定律，卻能自發熵減的永動納米材料。由于第四類永動機理論所給出的熵拓展和其他支持理論給出的宇宙輸入熵的相關支持論調，都未得到實踐的證明和科學界的嚴格論證，第四類永動機不等于科學，充其量只能說是假說和科幻。永動機發展的科學啟示追尋永動機的失敗經歷，可以給我們啟示:失敗的經歷也有積極的科學研究價值，永動機的種種設計方案的失敗，引起了人們的反思，啟發了能量轉化和守恒的思想，成為