永动机发展历程

关于永动机发展历程第1页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三前言第一类永动机第二类永动机启示第2页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三前言

动力是人类发展历史上不可忽视的重要角色。动力的发展推动者人类文明的发展，动力的每次改革都会对人类产生巨大影响；人类对动力一直在进行着孜孜不倦的追求，对动力的探索在曲折中不断前进。那么，我们在此期间走过那些弯路呢？下面我们来看看我们的前辈们设计的较为典型的几种“永动机”吧。第3页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三第一类永动机

历史上有不少人企图设计一种机器，它不消耗能量，却可以不停息地转动甚至源源不断地对外做功，这就是人们所说的永动机。虽然经过许多人的辛劳，但事实证明他们无一例外地都归于失败。这类永动机是一种幻想，永远不可能成功，因为它违反了自然界最普遍的一个规律，这就是能量转化与守恒定律。第4页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三亨内考永动机

达芬奇之滚珠永动机泰斯尼尔斯之磁石永动机

斯特尔之流水落差永动机浮力永动机

第一类永动机的发展案例第5页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三亨内考永动机在欧洲，早期最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来的。如图所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。方案的设计者认为，右边的球比左边的球离轴远些，因此，右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止的沿着顺时针的方向转。虽然右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，只有四个，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数却有八个之多。于是轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停在图中所画的位置上。图1亨内考永动机第6页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三滚珠永动机文艺复兴时期意大利的达·芬奇设计上如图所示的装置。他设计时认为，利用格板的特殊形状,使右边的重球滚到比左边的重球离轮心更远些的地方。本以为在两边重球不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息，但结果却是否定的。达·芬奇敏锐地由此得出结论：永动机是不可能实现的。达·芬奇劝告永动机的设计者们:“永恒运动的幻想家们！你们的探索是何等徒劳无功,还是去作淘金者吧！”由杠杆平衡原理可知，右边每个重物施加于轮子的旋转作用虽然较大，但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明，总会有一个适当的位置，使左右两侧重物施加于轮子的相反方向的旋转作用（力矩）恰好相等，互相抵消，使轮子达到平衡而静止下来。如果没有摩擦力和空气阻力，且忽略碰撞中的能量损耗，给轮子一个初速度，轮子就能依靠惯性永不停息地转动。图2滚珠永动机第7页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三磁力永动机1570年，意大利的泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。A是一个磁石，铁球C受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没有建立库伦定律，他不知道磁力的大小是与距离的平方成反比变化的，当然他也不知道能量守恒定律。

图3磁力永动机第8页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三流水落差永动机16世纪70年代，意大利的一位机械师斯特尔又提出了一个永动机的设计方案，如图所示。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。实际上，高处水槽中水的势能转化为两部分：一部分带动水磨转动或克服砂轮摩擦做功；

另一部分转化为螺旋汲水器或抽水机的功,这部分功又转化为水的势能。根据能量转化和守恒定律,流回水槽的水越来越少，很快水槽中的水就全部流进了下面的蓄水池，水轮机也就停止了转动。因此，这样的永动机也是不可能永远运动下去的。图4流水落差永动机第9页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三浮力永动机有人设计了如图所示的“浮力永动机”。永动机的传动绳上均匀地固定了许多密度小于水的小球，容器底部的管道内径与小球直径相等，并为光滑配合。设计者认为，左边容器里的小球受到浮力的作用向上运动，管道中的小球也将被带着向上运动，一旦这个小球要升出管道，其下的一个小球就会进入管道而不使水漏出，因此永动机将永不休止地顺时针转动。这类永动机也没有制成，是不是因为要下面的小球通过容器底部而不漏水有制造技术上的困难呢？技术上的问题并不是主要问题，主要问题还是在原理上，当下面的球穿过容器底的时候，它和容器底一样，要承受上面水的压力，会抵消上面球所受浮力，这个永动机就无法制成了。图5浮力永动机第10页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三第二类永动机在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能被凭空制造出来的，只能从一种形式转移到另外一种形式，于是有人提出，设计一类装置，从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头，这就是第二类永动机第11页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三第二类永动机 历史上首个成型的第二类永动机模型是1881年美国人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。

英国科学家焦耳也曾被永动机这一“奇妙”的发明所吸引，并为此做了一二十年的实验，但最后他留给后世的并不是永动机，而是证明永动机不可能的“热功当量定律”，这应该算是研究永动机得到的意外收获。第12页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三热二律有很多种表述，有一个直接针对第二永动机的表述是这样说的：“不可能从单一热源吸热作功，而不对环境造成影响。”第二热力学定律的定义：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。第13页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三

从单一热源转化为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。第14页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三物理学给出了一个熵增加原理，消灭了第二类永动机的可能性。熵增加原理说：“能量的转化是有方向的！”这个原理就是热力学的第二个定律。还有一个直接针对第二永动机的表述是这样说的：“不可能从单一热源吸热作功，而不对环境造成影响。”第15页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三层出不穷的永动机设计方案，都在科学的严格审查和实践的无情检验下一一失败了，前辈们貌似犯了很多我们现在看起来很简单错误，在我们现在看来可能感觉很好笑，但在当时都是科学研究的前沿，是当时最先进的科技。科学研究要有理论作支撑。古人们对于永动机研究失败不是他们缺乏刻苦钻研的精神而是他们当时不知道能量守恒定律，热力学第二定律，熵值增加原理等。启示第16页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三今天的我们