永動機發(fā)展歷程

關(guān)于永動機發(fā)展歷程第1頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三前言第一類永動機第二類永動機啟示第2頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三前言

動力是人類發(fā)展歷史上不可忽視的重要角色。動力的發(fā)展推動者人類文明的發(fā)展，動力的每次改革都會對人類產(chǎn)生巨大影響；人類對動力一直在進行著孜孜不倦的追求，對動力的探索在曲折中不斷前進。那么，我們在此期間走過那些彎路呢？下面我們來看看我們的前輩們設(shè)計的較為典型的幾種“永動機”吧。第3頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三第一類永動機

歷史上有不少人企圖設(shè)計一種機器，它不消耗能量，卻可以不停息地轉(zhuǎn)動甚至源源不斷地對外做功，這就是人們所說的永動機。雖然經(jīng)過許多人的辛勞，但事實證明他們無一例外地都?xì)w于失敗。這類永動機是一種幻想，永遠(yuǎn)不可能成功，因為它違反了自然界最普遍的一個規(guī)律，這就是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。第4頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三亨內(nèi)考永動機

達芬奇之滾珠永動機泰斯尼爾斯之磁石永動機

斯特爾之流水落差永動機浮力永動機

第一類永動機的發(fā)展案例第5頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三亨內(nèi)考永動機在歐洲，早期最著名的一個永動機設(shè)計方案是十三世紀(jì)時一個叫亨內(nèi)考的法國人提出來的。如圖所示：輪子中央有一個轉(zhuǎn)動軸，輪子邊緣安裝著個可活動的短桿，每個短桿的一端裝有一個鐵球。方案的設(shè)計者認(rèn)為，右邊的球比左邊的球離軸遠(yuǎn)些，因此，右邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩要比左邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩大。這樣輪子就會永無休止的沿著順時針的方向轉(zhuǎn)。雖然右邊每個球產(chǎn)生的力矩大，但是球的個數(shù)少，只有四個，左邊每個球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個數(shù)卻有八個之多。于是輪子不會持續(xù)轉(zhuǎn)動下去而對外做功，只會擺動幾下，便停在圖中所畫的位置上。圖1亨內(nèi)考永動機第6頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三滾珠永動機文藝復(fù)興時期意大利的達·芬奇設(shè)計上如圖所示的裝置。他設(shè)計時認(rèn)為，利用格板的特殊形狀,使右邊的重球滾到比左邊的重球離輪心更遠(yuǎn)些的地方。本以為在兩邊重球不均衡的作用下會使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動不息，但結(jié)果卻是否定的。達·芬奇敏銳地由此得出結(jié)論：永動機是不可能實現(xiàn)的。達·芬奇勸告永動機的設(shè)計者們:“永恒運動的幻想家們！你們的探索是何等徒勞無功,還是去作淘金者吧！”由杠桿平衡原理可知，右邊每個重物施加于輪子的旋轉(zhuǎn)作用雖然較大，但是重物的個數(shù)卻較少。精確的計算可以證明，總會有一個適當(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，使輪子達到平衡而靜止下來。如果沒有摩擦力和空氣阻力，且忽略碰撞中的能量損耗，給輪子一個初速度，輪子就能依靠慣性永不停息地轉(zhuǎn)動。圖2滾珠永動機第7頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三磁力永動機1570年，意大利的泰斯尼爾斯，提出用磁石的吸力可以實現(xiàn)永動機。A是一個磁石，鐵球C受磁石吸引可沿斜面滾上去，滾到上端的E處，從小洞B落下，經(jīng)曲面BFC返回，復(fù)又被磁石吸引，鐵球就可以沿螺旋途徑連續(xù)運動下去。大概他那時還沒有建立庫倫定律，他不知道磁力的大小是與距離的平方成反比變化的，當(dāng)然他也不知道能量守恒定律。

圖3磁力永動機第8頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三流水落差永動機16世紀(jì)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(shè)計方案，如圖所示。他在設(shè)計時認(rèn)為，由上面水槽流出的水，沖擊水輪轉(zhuǎn)動，水輪在帶動水磨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)下去，并有效地對外做功。實際上，高處水槽中水的勢能轉(zhuǎn)化為兩部分：一部分帶動水磨轉(zhuǎn)動或克服砂輪摩擦做功；

另一部分轉(zhuǎn)化為螺旋汲水器或抽水機的功,這部分功又轉(zhuǎn)化為水的勢能。根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律,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(zhuǎn)動。因此，這樣的永動機也是不可能永遠(yuǎn)運動下去的。圖4流水落差永動機第9頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三浮力永動機有人設(shè)計了如圖所示的“浮力永動機”。永動機的傳動繩上均勻地固定了許多密度小于水的小球，容器底部的管道內(nèi)徑與小球直徑相等，并為光滑配合。設(shè)計者認(rèn)為，左邊容器里的小球受到浮力的作用向上運動，管道中的小球也將被帶著向上運動，一旦這個小球要升出管道，其下的一個小球就會進入管道而不使水漏出，因此永動機將永不休止地順時針轉(zhuǎn)動。這類永動機也沒有制成，是不是因為要下面的小球通過容器底部而不漏水有制造技術(shù)上的困難呢？技術(shù)上的問題并不是主要問題，主要問題還是在原理上，當(dāng)下面的球穿過容器底的時候，它和容器底一樣，要承受上面水的壓力，會抵消上面球所受浮力，這個永動機就無法制成了。圖5浮力永動機第10頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三第二類永動機在熱力學(xué)第一定律問世后，人們認(rèn)識到能量是不能被憑空制造出來的，只能從一種形式轉(zhuǎn)移到另外一種形式，于是有人提出，設(shè)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(qū)動永動機轉(zhuǎn)動和功輸出的源頭，這就是第二類永動機第11頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三第二類永動機 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(shè)計的零發(fā)動機，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，推動機械運轉(zhuǎn)。但是這一裝置無法持續(xù)運轉(zhuǎn)，因為汽化后的液氨在沒有低溫?zé)嵩创嬖诘臈l件下無法重新液化，因而不能完成循環(huán)。

英國科學(xué)家焦耳也曾被永動機這一“奇妙”的發(fā)明所吸引，并為此做了一二十年的實驗，但最后他留給后世的并不是永動機，而是證明永動機不可能的“熱功當(dāng)量定律”，這應(yīng)該算是研究永動機得到的意外收獲。第12頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三熱二律有很多種表述，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(huán)境造成影響?！钡诙崃W(xué)定律的定義：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響；不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響。第13頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三

從單一熱源轉(zhuǎn)化為有用功而不產(chǎn)生其他影響；或不可能用無生命的機器把物質(zhì)的任何部分冷至比周圍最低溫度還低，從而獲得機械功。這就是熱力學(xué)第二定律的“開爾文表述”。第14頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三物理學(xué)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(zhuǎn)化是有方向的！”這個原理就是熱力學(xué)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(huán)境造成影響?！钡?5頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三層出不窮的永動機設(shè)計方案，都在科學(xué)的嚴(yán)格審查和實踐的無情檢驗下一一失敗了，前輩們貌似犯了很多我們現(xiàn)在看起來很簡單錯誤，在我們現(xiàn)在看來可能感覺很好笑，但在當(dāng)時都是科學(xué)研究的前沿，是當(dāng)時最先進的科技?？茖W(xué)研究要有理論作支撐。古人們對于永動機研究失敗不是他們?nèi)狈炭嚆@研的精神而是他們當(dāng)時不知道能量守恒定律，熱力學(xué)第二定律，熵值增加原理等。啟示第16頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三今天的我們