能量转化与恒温两类永动机的设计与实践

能量转化与恒温两类永动机的设计与实践

1结语:永动机的世界第一类永动机是指在没有外部能量的情况下，为了获得有效的动力机械，我们所说的永动机基本上属于这种类型。我听到的永动机基本上都是这样的。13.18岁。19世纪，发明永动机的梦想吸引了许多优秀的创造才能。他们付出了巨大的智慧和工作。19世纪，英国工程师德拉在《第17和18世纪的永动机序言》中写道：“我把这本书交给公众读了一本书。另一方面，这是一个有趣而痛苦的故事。另一方面，这里发出了严重警告。不要模仿永动运动的声誉和利益。相反，我们必须注意不要在永恒运动的优雅中获得名声和幸福。”在中国，1954年4月成立的《科学应用》第一版科学文献指出，我们希望教育工作者今后能够将他们的发明热情和精力转化为现实。然而，永动机的生产商仍在继续。从中国专利网获得的统计数据显示，自1985年以来，已经设计了50多台永动机。虽然有些人不遵循德尔克斯的金玉良的话，但他们还想“尝试法”。-但请继续开发不同的永动机。然而，没有永动机的设计方案可以接受科学审查。第一类永动机幻梦的破灭有力地促进了19世纪中叶能量转化和守恒定律的确立.能量转化和守恒的思想不仅有着深远的理论意义,也有着重要的实践意义.许多理论固然要接受能量转化和守恒思想的指导,技术上许多新的发明、新的设计,同样也得益于能量转化和守恒思想的启迪和约束.回顾物理学史和科技史上曾名噪一时的第一类永动机的设计,也许会有更深刻的体会.2永动机的“真”与“真”永动机的想法起源于印度,公元1200年前后,这种思想从印度传到了伊斯兰教世界,并从这里传到了西方.在欧洲,早期最著名的一个永动机设计方案是13世纪法国的亨内考提出来的.亨内考设计的装置当时并不叫作永动机,而是按它特别吸引人的性质,把它叫做“魔轮”.如图1所示:轮子中央有个转动轴,轮子的边缘等距地安装着12根活动短杆,每个短杆的一端装有1个铁球.亨内考认为,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.这个设计被不少人以不同的形式复制出来,但从未实现不停息的转动.仔细分析会发现:虽然右边每个球产生的力矩大,但是球的个数少;左边每个球产生的力矩虽小,但是球的个数多.于是,由于力矩的平衡,轮子不会持续转动而对外做功.实际上轮子转动一两圈后摆动几下,便停在图1所示的平衡位置上.3永动机的不可能成15世纪,意大利著名的科学家、艺术家达·芬奇也制造了类似的装置,如图2所示.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,但试验结果却是否定的.达·芬奇敏锐地认识到永动机是不可能制成的.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!”17世纪,英国被关在伦敦塔下的犯人马尔基斯的,也曾复制了一台类似的转轮永动机.转轮的直径约4.3m,有40个质量均为23kg的重球沿转轮辐条向外运动,轮流驱使转轮不断转动.据说他曾向英国国王查理一世表演过这一装置,国王见了十分高兴,就释放了他,其实这台机器由于有较大的自重,经推动后能依靠惯性维持一段时间的转动,终究还是要停止的.事实上,由力矩的平衡条件可知,上面2个设计中,右边每个重球施加于轮子的旋转力矩虽然较大,但是重球的个数却较少.精确的计算可以证明,总会有一个适当的位置,使左右两侧重球施加于轮子的相反方向的力矩恰好相等,互相抵消,而使轮子在某一平衡位置静止下来.4永动机的设计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3(a)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.后来有人还设计了一台类似的永动机,如图3(b)所示.距地面一定高度架设水槽,水从槽底的管中流出,冲击水轮机,水轮机的轴上安装抽水机和砂轮.期望抽水机把地面水槽里的水抽上去,这样循环不已,机器不停地转动,就可永久地用砂轮磨制工件.实际上,高处水槽中水的势能转化为2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,流回水槽的水会越来越少,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.5静水发电的原理图4所示是一个著名的浮力永动机设计方案.一连串的木球绕在上下2个轮子上,可以像链条那样转动.左边的一些木球放在盛满水的容器里.设计者认为,左边如果没有盛水的容器,左右两边的木球数相等,链条是会平衡的.但是,现在左边这些木球浸在水里,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2个轮子转动.上面有1个木球露出水面,下面就有1个木球穿过容器底,补充进来,从而带动轴转动使发电机转动发电,被称为“静水发电”.这样的永动机也没有制成,是不是因为要下面的木球能够通过容器底,而又不让水漏出来,制造技术上有困难呢?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.当下面的木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,所以它受到很大的压力.这个向下的压力,会抵消上面几个木球所受的浮力,这个永动机就无法永动了.6永动机的设计此外,有人还设计了如图5所示的永动机,企图利用弹簧代替气缸里的蒸汽,利用弹力推动活塞永不停息地做功.但由于摩擦和机轴转动时所受的阻力,即使一开始用力使弹簧振动,它也会很快地停下来.后来人们还提出过利用轮子的惯性、细管子的毛细作用、电磁力等获得有效动力的种种永动机设计方案,但都无一例外地失败了.一个个巧妙的永动机的设计方案,都像美丽的肥皂泡一样很快地破灭了.然而,人们对永动机的设计热情依然很高,一些人依旧在编织着彩色的梦幻.像重力曲柄永动机、坡道及重力能永动车运动系统、浮重永动机、利用过渡永磁体和运行永磁体制成的永动机等,都是其变种.7类永动机的失败,对人类带来了能量转化和守恒定律的启示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.1775年法国科学院郑重地通过了一项决议,拒绝审理永动机设计方案,并且解释说:“永动机的建造是绝对不可能的,即使中间的摩擦和阻力不致最终破坏原来的动力,这个动力也不能产生等于原因的效果;再如设想动力可以连续起作用,其效果在一定时间内也会是无限小.如果摩擦和阻力减小,初始的运动往往得以继续,但它不能与其它物体作用,在这种假设(自然界不可能存在)中,惟一可能的永恒运动对实现永动机建造者的目的将毫无用处.这些研究的缺点是极度昂贵,不止毁了一个家庭;本来可以为公众提供大量服务的技师们,往往为此消费了他们的工具、时间和聪明才智.”第一类永动机各种设计方案的失败,制造永动机美好梦想的破灭,对于每一个寻找永动机的人是一个不小的打击.但是,反思这一失败的探索过程,它从反面给人类以启迪,一些科学家从这一否定的结论中开始思考,提出这样一个问题:永动机不可能制成,是不是说明自然界存在着一条法则,它使我们不可能无中生有地获得能量?也就是说自然界各种能量之间存在着一定的转化关系.这方面的思考是能量转化和守恒原理建立的重要线索之一.德国著名物理学家和生理学家亥姆霍兹就是从永动机不可能实现的这一事实入手研究发现能量转化和守恒定律的.他在论文中写道:“鉴于前人试验的失败,人们……不再询问‘我如何能利用各种自然力之间已知和未知的关系来创造一种永恒的运动’,而是问道‘如果永恒的运动是不可能的,在各种自然力之间应该存在着什么样的关系?’”达·芬奇的劝告、法国科学院的解释,教育了一批“永动机迷”,但似乎还是缺乏“法律根据”,未免显得苍白,直到19世纪中叶能量转化和守恒定律的确立,才对永动机的设计作出了庄严的判决:任何不消耗能量而不断对外做功的机器是不可能制成的,第一类永动机的幻梦永远不能实现!能量转化和守恒定律为辨证唯物主义提供了更精确、更丰富的科学基础,有力地打击了那些认为物质运动可以随意创造和消灭的唯心主义观点,它彻底打破了第一类永动机的幻梦.恩格斯曾经把这一定律称为“伟大的运动定律”,认为它的发现是19世纪自然科学的三大发现之一.追寻第一类永动机失败的历史,可以给我们2点启示:首先,失败的经历也有积极的科学研究价值,永动机的种种设计方案的失败,引起了人们的反思,启发了能量