永動機(jī)是一類所謂不需外界輸入能源、能量或在僅有一個(gè)熱源的條件下便能夠不斷運(yùn)動并且對外做功的機(jī)械。
歷史上人們曾經(jīng)熱衷于研制各種類型的永動機(jī)，其中包括達(dá)芬奇、焦耳這樣的學(xué)術(shù)大師。在熱力學(xué)體系建立后，學(xué)界認(rèn)定永動機(jī)相悖于熱力學(xué)基本原理的設(shè)想，而將之從正統(tǒng)學(xué)術(shù)界中排除。
然而永動機(jī)的研究者始終未曾間斷。從一個(gè)側(cè)面也可以認(rèn)為，人類對永動機(jī)的熱情以及制造永動機(jī)的種種實(shí)踐，推動了熱力學(xué)體系的建立和機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步。
1775年法國科學(xué)院通過決議，宣布永不接受永動機(jī)?，F(xiàn)在美國專利及商標(biāo)局嚴(yán)禁將專利證書授予永動機(jī)類申請。
不消耗能量而能永遠(yuǎn)對外做功的機(jī)器，它違反了能量守恒定律，故稱為'第一類永動機(jī)'。
在沒有溫度差的情況下，從自然界中的海水或空氣中不斷吸取熱量而使之連續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器，它違反了熱力學(xué)第二定律，故稱為'第二類永動機(jī)'。這兩類永動機(jī)是違反當(dāng)前客觀科學(xué)規(guī)律的概念，是永遠(yuǎn)不能夠被制造出來的。
歷史上最著名的第一類永動機(jī)是法國人亨內(nèi)考在十三世紀(jì)提出的“魔輪”，魔輪通過安放在轉(zhuǎn)輪上一系列可動的懸臂實(shí)現(xiàn)永動，向下行方向的懸臂在重力作用下會向下落下，遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)輪中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的懸臂在重力作用下靠近轉(zhuǎn)輪中心，力矩減小，力矩的不平衡驅(qū)動魔輪的轉(zhuǎn)動。
▲魔 輪
能量從一種形式轉(zhuǎn)變到另一種形式時(shí)，絕對不可能100%轉(zhuǎn)變成這種形式。比如物質(zhì)之間相互摩擦產(chǎn)生的熱能。
他設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為，右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠(yuǎn)些，在兩邊不均衡的作用下會使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動不息，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是否定的。
▲達(dá)芬奇設(shè)計(jì)的永動機(jī)
達(dá)·芬奇敏銳地由此得出結(jié)論：永動機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，由杠桿平衡原理可知，上面兩個(gè)設(shè)計(jì)中，右邊每個(gè)重物施加于輪子的旋轉(zhuǎn)作用雖然較大，但是重物的個(gè)數(shù)卻較少。
▲重力作用的永動機(jī)
精確的計(jì)算可以證明，總會有一個(gè)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(dá)到平衡而靜止下來。
歷史上首個(gè)成型的第二類永動機(jī)裝置是1881年美國人約翰·嘎姆吉為美國海軍設(shè)計(jì)的零發(fā)動機(jī)，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，推動機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。但是這一裝置無法持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)槠蟮囊喊痹跊]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)。
1820年代法國工程師尼古拉·卡諾設(shè)計(jì)一種工作于兩個(gè)熱源之間的理想熱機(jī)——卡諾熱機(jī)，卡諾熱機(jī)從理論上證明熱機(jī)的工作效率與兩個(gè)熱源的溫差相關(guān)。德國人魯?shù)婪颉た藙谛匏购陀碎_爾文在研究了卡諾循環(huán)和熱力學(xué)第一定律后，提出了熱力學(xué)第二定律。
▲卡諾熱機(jī)的示意圖
這一定律指出：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。熱力學(xué)第二定律的提出宣判第二類永動機(jī)的無效，而這一定律的表述方式之一就是：第二類永動機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)。
▲重力作用的永動機(jī)
▲細(xì)管子的毛細(xì)作用制作的永動機(jī)
