说明永动机是不可能制成的小论文.doc

举例说明永动机是不可能制成的摘要 本文通过对举例说明和对热学原理的阐述验证永动机在现在是不可能实现的。关键词 永动机；热力学第一定律；热力学第二定律；热力学第三定律；1 引言 在热力学中，我们知道能量是不可能凭空产生的，也不可能从单一热源吸收热量全部用来做功，并且热机的功率是达不到百分之百的，所以必然有能量损失，于是乎在不加人能量的情况下是无法实现永动的。2 第一类永动机自从永动机从印度开始提出，人们对永动机的追求就从没有停止过。十三世纪的一个叫亨内考的法国人提出如图的永动机 这也可以说是最早的永动机。轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12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地沿着箭头所指的方向转动下去，并且带动机器转动。但是这个装置的实验结果是只是左右摇摆了几下就停下来了。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。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。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，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。所以就不会永远动下去。 第一类永动机都是依赖能量的无限输出的，但是能量是只能换的，它只能由一种形式转换成另一种形式，而不能凭空产生。像浮力就是人们利用的最多的一种力，但其实系统中总能找到一个点使得力矩平衡的。下图就是一个例子：水从上往下流的水力，足以带动一个抽水的系统将水再抽回去。问题是，水车产生的功带动抽水机所抽的水，永远少于将水带上去所需要的能量。而另一个利用浮力的例子：一连串的球，绕在上下两个轮子上，可以像链条那样转动。右边的一些球放在一个盛满水的容器里。设计者认为，右边如果没有那个盛水的容器，左右两边的球数相等，链条是会平衡的。但是，现在右边这些球浸在水里，受到了水的浮力，就会被水推着向上移动，也就带动整串球绕上下两个轮子转动。上面有一个球露出水面。下面就有一个球穿过容器底，补充进来。这样的永动机也没有制成，是不是因为要下面的球能够通过容器底，而又不能让水漏出来，制造起来技术上有困难呢？技术上的困难并不是主要问题，主要问题还是出在设计的原理上。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，而且是因为在水的最下部，所以它受到的压力很大。这个向下的压力，就会抵消上面几个球所受的浮力，这个水动机也就无法永动了。而利用磁力也是以个好的设想，此图是Taisnerius 设计的永动机，整个系统由一颗强磁铁，一颗铁球，和两个斜坡所组成。理论上铁球会被磁铁拉上斜坡，再从洞里掉下去，回到开始的地方，从而不停地运作。问题呢？任何强到足以将铁球拉上去的磁铁，自然不可能放铁球从洞里再掉下去啰！当然，你可以说球在下划到低端的时候有一个反冲力，它借助磁铁的吸引力和反冲力回到顶端。但是我们由能量守恒定律可得，球在没有到达顶端的时候速度就已经为0了。我们把磁力的情况简化，那么做功为0。 Mgh-f1s1=1/2mv*2； 1/2mv*2=mgH+f2s2;这样解得H是小于h的。磁力在整个过程中都做功，但是由于摩擦阻力（一直做负功）的作用，所以能量有损失，但却没有能量的输入。于是球是回不去的，也就谈不上循环运作的，所以也就无法永动了。3 第二类永动机 从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其它影响的热机称为第二类永动机。但实际的热力学过程都是按一定的方向进行的，是不可逆的。热量可以从高温物体传向低温物体，直至达到温度相等的热平衡。虽然第二类永动机没有违背热力学第一定但是却不符合第二定律。 历史上首个成型的第二类永动机装置是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。拿绝热膨胀来说，在气体自由膨胀过程中，气体分子从占有较小的空间自发的变化到占有较大的空间，这样分子按位置分布的不确定性变大，即分子运动的无序性变大。从微观上看，绝热自由膨胀也是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。1877年，玻耳兹蔓提出：孤立系中的自然过程总是沿着热力学概率增大的方向进行。玻耳兹蔓用熵S来表证系统内分子运动无序性的大小。1900年，普朗克改进了玻耳兹蔓的公式：S=kln而由熵增加原理可知道永动是不可能的。一个孤立系统的熵不能减少，而只能增加，现实中的情况就是如此；或者不变，在理想的可逆系统的情况下，这在现实世界从未发生。熵增加原理也给出了时间的方向，这就是系统自发演化的方向。比如你从冰箱里取出一块冰，放在手上，冰很快会化成水，水又会化成气；同时，屋子里的温度会降低一点点儿，湿度会增高一点点儿。这个过程是一个人所习见、人所共知的正常过程，这个事件的序列就给出了时间的方向。反过来，如果你看到了它的逆过程：你的手上忽然浮现出一颗水珠，水珠越来越大，然后变成一个冰块，同时，室内的温度增高一点点儿，湿度降低一点点儿，你一定会诧异万分，不是屋子出了毛病，就是你在看电影。这个逆过程虽然不违背热一律，但是违背热二律。 4 结论： 永动机在现在物理成立的条件下是无法存在