第一類永動機的原理是什麼

　　謠言：

永動機在不消耗任何自然資源的情況下，它就能獲得無限動力。

　　闢謠：

科學技術在生產和生活中的應用，讓人類從繁重的體力勞動中解放了出來，但卻消耗了許多能源和動力。於是人們又夢想發明一種機器，這種機器能源源不斷地輸出能量或動力，卻不需要消耗任何外界的能量。人們曾設想如果能製成永動機，在不消耗任何自然資源的情況下，它就能獲得無限動力。這確實是一個極度誘人的幻想！長時間以來，很多人投身於永動機的研製開發。但迄今為止卻沒有試驗成功任何一種永動機。原因是什麼呢？

隨著自然科學的進步，我們知道，在工作原理上，永動機的設想是違背熱力學基本定律的，所以根本不可能實現。熱力學的四個基本定律在自然科學中是最為堅實的定律，是幾百年來科學技術與經驗的結晶，至今為止，我們還沒有發現一例違反熱力學基本定律的案例。

人們幻想的永動機可分為兩類：第一類是違反熱力學第一定律的永動機、第二類是違反熱力學第二定律的永動機。那麼，這兩類永動機為什麼不能實現呢？

達芬奇設計的永動機圖

違反熱力學第一定律的永動機

熱力學第一定律（即能量守恆和轉換定律）揭示的是：“自然界中物質的能量可以從一種形式轉變成為另一種形式，也可以從一個物體傳遞給另一個物體，但是在轉變或傳遞過程中能量總和保持恆定。”而“第一類永動機”的工作原理就是不消耗能量就可以做功，與第一定律是相悖的。此類永動機的代表作是達？芬奇設計的永動機，該裝置奢望利用不均衡的力矩作用，來使輪子繞中心軸轉動，而且能源源不斷地輸出動力。但是，在某一確定的位置，由於所有圓球產生的力矩正好能夠相互抵消，因此該裝置根本就無法實現想象中的“永動”。在以後的時間裡，大量設想利用浮力、電磁力、慣性力或毛細作用的第一類永動機制作實驗相繼宣告失敗。早在1586年，荷蘭科學家斯蒂文在《靜力學基礎》一書中就明確指出，利用力學方法無法制成永動機。

1775年，基於理論和實踐證明的第一類永動機無法實現的事實，法蘭西科學院透過決議，將拒絕審理“表現永恆運動的任何機器”。

違反熱力學第二定律的永動機

第二類永動機是僅從一個能量源獲取一定的動力，並永遠運轉的一種裝置。此類永動機的代表作是美國發明家甘姆埃設計的以液氨為工作介質的“零度發動機”。該裝置的工作原理是：液氨從周圍環境中吸取熱量，汽化後體積膨脹，推動活塞，將推動力輸出，然後再自動凝結，放出熱量給周圍環境。在整個迴圈過程中，能量是守恆的，不違背第一定律，而且由於能量轉換，輸出的功，最終也以熱量的形式釋放給了環境，這樣，環境的能量就能取之不竭了。上述的過程迴圈往復進行下去，就可以源源不斷地做功了。這個設計看上去貌似可以實現，但與熱力學第二定律卻是相悖的，因此，實驗當然沒有成功，也是無法實現的幻想。

熱力學第二定律揭示的是：不可能從單一熱源取熱並將其完全轉換為功，而不對環境造成影響。熱力學第二定律強調的是熱量傳遞過程的方向性，儘管熱量能夠自發地從高溫物體轉移到低溫物體，但這個轉移的過程卻必須耗損一定量的功。而甘姆埃的“零度發動機”卻是一種從單一的熱源獲得熱量，並將其轉換為功的機械，液態氨從高溫環境中吸熱、氣化的過程能夠自發進行，但氣態氨的凝結放熱過程卻不能自發實現，它必須有一個比環境溫度低的冷源，而要想維持這個冷源，就需要消耗一定的能量，因此該裝置的“永動”也是無法實現的。

法蘭西科學院關於永動機的決議

1775年，法蘭西科學院非常鄭重地通過了一項決議，那就是永遠不接受永動機的申請。《法蘭西科學院的歷史》一書中有如下記載：“這一年科學院透過決議，決定拒絕審理有關下列問題的解答：倍立方，三等分角，求與圓等面積的正方形，以及表現永恆運動的任何機器。”並做出如下解釋：建造永動機是絕對不可能的，即便是中間的摩擦和阻力最終不至於破壞原來的動力，這個動力也不可能產生等同於原來的效果；再如，假設動力可以連續起作用，在一定時間之內，其效果也會是無限變小的。假如摩擦和阻力減少，初始的運動往往可能得以繼續，但它卻不能對其他物體作用。在這種假設（自然界不可能存在）中，唯一可能的永恆運動對實現永動機建造者的目的是毫無用處的。

熱力學體系建立後，人們透過縝密的邏輯推理和研究證明，永動機是違背熱力學基本原理的。目前美國專利及商標局也禁止將專利證書授予“永動機”之類的申請。

複核專家：張闖 中科院高能物理所前副所長、中國物理學會科普委員會主任