第一类永动机

第一类永动机perpetual-motionmachineofthefirstkind,永动机(Perpetualmotiondescribeshypotheticalmachinesthatoperateorproduceusefulworkindefinitelyand,moregenerally,hypotheticalmachinesthatproducemoreworkorenergythantheyconsume,whethertheymightoperateindefinitelyornot.)是一类想象中的不需外界输入能源、能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断运动并且对外做功的机械。历史上人们曾经热衷于研制各种类型的永动机，其中包括达芬奇、焦耳这样的学术大家，另外包括一些希望以永动机出名和获利的骗子。在热力学体系建立后，人们通过严谨的逻辑证明了永动机是违反热力学基本原理的设想，从此之后就少有永动机的研究者了。不过从一个侧面也可以认为，人类对永动机的热情以及制造永动机的种种实践，推动了热力学体系的建立和机械制造技术的进步。,第一类永动机（Perpetual-motionmachineofthefirstkind，aperpetualmotionmachineofthefirstkindproducesworkwithouttheinputofenergy.）是最古老的永动机概念，这一类永动机试图以机械的手段在不获取能源的前提下使体系持续地向外界输出能量。历史上最著名的第一类永动机是法国人亨内考在十三世纪提出的“魔轮”，魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂实现永动，向下行方向的悬臂在重力作用下会向下落下，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的悬臂在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮的转动。,有人认为如飞轮之类，一旦开始运动，若无摩擦阻力作用，是可以永久继续运动下去的，这在实际上虽然不易实现，但是在道理上说得通，可以看作一种实际的极限情况。他们还认为：所谓永动机并不是指这种情况，不是试图去保持永恒的运动，而是期望在没有外界能源供给，即不消耗任何燃料和动力的情况下，源源不断地得到有用的功。,奥恩库尔的永动机模型,据说，13世纪有一个法国人叫奥恩库尔的，他在一个轮子的边缘上等间隔地安装了12根可活动的锤杆。他设想一旦轮子被启动,由于轮子右边的各个重锤距轮轴更远些,就会驱动轮子按箭头方向永不停息地转动下去。,Alargeclassofschemesaremachinesthatareperpetuallyoutofbalance,sothatapushstartwillmakethemachinerunforever,orperhapsevencauseittoaccelerate.Thesemachinestypicallyremainonlyinadesignstage.Ifbuilttheymaybecomemachinesoftype5above,especiallyafterthedisappointedinventorrealizeshisneedtorecoverexpenses.VillarddeHonnescourtdrewdesignsforsuchmachines.Sevencenturieslaterandmorethanonecenturybeyondanunderstandingofwhysuchamachinewillneverwork,inventorscontinuetoattempttomaketheunbalancedwheelspin.,滚珠永动机,滚珠永动机是利用格板的特殊形状，使一边重球滚到比另一边的距离轮心远些的地方。设计者本以为在两边重球的作用下会使轮子失去平衡而转动不息，但试验的结果却是否定的。,软臂永动机,软臂永动机的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，力却增大了，转轮只能停止在原地,阿基米德螺旋永动机,把水从蓄水池里汲到上面的水槽里，让它冲击水轮使之转动，轮子在带动水磨的同时，又通过一组齿轮带动螺旋汲水器把水重新提到水槽里去。这样，整台机械就可以永不停息地运转下去。这样的设计当然也必然以失败告终。因为即使没有摩擦力，从水槽中流下的水的冲力,也不足以既带动水磨工作,又带动汲水器把全部流下的水重新汲回到原来的高度。,Machineswithoutlossesorfrictionarecommondesigns.OneisFluddsclosedcyclewaterpumpwhichraisedwaterintoareservoirbymeansofaAchimedeanscrew,andletwaterrunoutofthereservoiroverawaterwheelthatturnedthescrewtoraisethewater(Figure4).Inorderforthismachinetorunforever,wehavetoassumethatthegrindingofgrainrepresentsnoloss,noristhereanylosstofriction.In1570aJesuitPriest,JohannesTaisnierus,designedamachinebasedonaloadstone,whichwouldpullanironmarbleupaninclinewhereitwouldfallthoughahole,rolldownasecondinclinebacktoitspointoforigintobeginthetrekupthefirstincline.ThismachineIdiscussinalatersectionsinceitappearsagainandagaininarticlesonperpetualmotion.Thesemachinesomehowprocureenergytooffsetlosses,butthereisnosourceofenergy.,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G受磁石吸引可沿斜面滚下去，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。,磁力型永动机,Apermanentmagnet(lodestone)pullsanironballupanincline.Buttheinclinehasaholeinitwhichtheball,stupidly,fallsthough.Thisreturnstheballdownaslidethroughalowerholeontotheincline,whereitresumesitsclimbbacktowardthemagnet.Theendlesscyclingoftheballissupposedlyperpetualmotion.,浮力型,浸润型,焦耳于1843年设计完成了著名的焦耳实验。焦耳在一水槽中方有一容器，其左侧充以低压气体（看成系统）,右侧抽成真空，中间以旋塞连接。实验中打开旋塞，使气体向真空膨胀，直至平衡，然后通过水浴中的温度计观测水温的变化，试验中发现水温维持不变。由于实验中采用低压气体，因此可以看成是理想气体。,虽然焦耳设计的实验并不精确，但焦耳将实验结果进行适当的处理可后，发现该实验表明，自然界的一切物质都具有能量，它可以有多种不同的形式，但通过适当的装置，能从一种形式转化为另一种形式，在相互转化中，能量的总数量不变。,我们在这里引入热力学第一定律。热力学第一定律是能量守恒定律对非孤立系统的扩展。此时能量可以以功w或热量Q的形式传入或传出系统。即：U=Q+WdU=Q+W,对其进行具体阐述即为以下几点：物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所作的功的总和。系统在绝热状态时，功只取决于系统初始状态和结束状态的能量，和过程无关。孤立系统的能量永远守恒。系统经过绝热循环，其所做的功为零，因此第一类永动机是不可能的（即不消耗能量做功的机械）。两个系统相互作用时，功具有唯一的数值，可以为正、负或零。,结论,自然界的一切物质都具有能量，它可以有多种不同的形式，但通过适当的装置，能从一种形式转化为另一种形式，在相互转化中，能量的总数量不变.,因为能量的转化是有方向性的，自然界里无论什么运动都会产生热，热向四周扩散，成为无用的能量。如不补给能量，任何运动着的机器都会停下来。,由杠杆平衡原理可知，上面两个设计中，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。,经过试验，已确认这些永动机方案失败或仅只是骗局，无一成功。1775年法国科学院通过决议，宣布永不接受永动机，现在美国专利及商标局严禁将专利证书授予永动机类申请。,因而我们可以得到这么一个结论：热力学第一定律的表述方式之一就是，第一类