第一類永動(dòng)機(jī)論文ultimate

1、第一類永動(dòng)機(jī)perpetual-motion machine of the first kind10級(jí)化學(xué)工程與工藝（4）班第一類永動(dòng)機(jī)perpetual-motion machine of the first kind永動(dòng)機(jī)(Perpetual motion describes hypothetical machines that operate or produce useful work indefinitely and, more generally, hypothetical machines that produce more work or energy than they co

2、nsume, whether they might operateindefinitely or not.)是一類想象中的不需外界輸入能源、能量或在僅有一個(gè)熱源的條件下便能夠不斷運(yùn)動(dòng)并且對(duì)外做功的機(jī)械。歷史上人們?cè)?jīng)熱衷于研制各種類型的永動(dòng)機(jī)，其中包 括達(dá)芬奇 、焦耳這樣的學(xué)術(shù)大家，另外包括一些希望以永動(dòng)機(jī)出名和獲利的騙子。在熱力學(xué)體系建立后，人們通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬜C明了永動(dòng)機(jī)是違反熱力學(xué)基本原理的設(shè)想，從此之后就少有永動(dòng)機(jī)的研究者了。不過從一個(gè)側(cè)面也可以認(rèn)為，人類對(duì)永動(dòng)機(jī)的熱情以及制造永動(dòng)機(jī)的種種實(shí)踐，推動(dòng)了熱力學(xué)體系的建立和機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步。(Classification A perpetu

3、al motion machine of the first kind produces work without the input of energy. It thus violates the first law of thermodynamics: the law of conservation of energy.A perpetual motion machine of the second kind is a machine which spontaneously converts thermal energy into mechanical work. When the the

4、rmal energy is equivalent to the work done, this does not violate the law of conservation of energy. However it does violate the more subtle second law of thermodynamics . The signature of a perpetual motion machine of the second kind is that there is only one heat reservoir involved, which is being

5、 spontaneously cooled without involving a transfer of heat to a cooler reservoir. This conversion of heat into useful work, without any side effect, is impossible, according to the second law of thermodynamics.)October 1920 issue of Popular Science magazine, on perpetual motion.Although scientists h

6、aveestablished them to beimpossible under the known lawsof physics, perpetual motioncontinues to capture theimagination of inventors. Thedevice shown is a "mass leverage"device, where the sphericalweights on our right have moreleverage than those on the left,supposedly creating a perpetual

7、rotation, but there are a greaternumber of weights to our left,balancing the device.第一類永動(dòng)機(jī)（Perpetual-motionmachineof thefirst kind，a perpetual motion machine of the firstkind produces work without the input of energyy. ）是最古老的永動(dòng)機(jī)概念，這一類永動(dòng)機(jī)試圖以機(jī)械的手段在不獲取能源的前提下使體系持續(xù)地向外界輸出能量。歷史上最著名的第一類永動(dòng)機(jī)是法國人亨內(nèi)考在十三世紀(jì)提出的“魔輪

8、”，魔輪通過安放在轉(zhuǎn)輪上一系列可動(dòng)的懸臂實(shí)現(xiàn)永動(dòng)，向下行方向的懸臂在重力作用下會(huì)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(dòng)魔輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。十五世紀(jì)，著名學(xué)者達(dá)芬奇也曾經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)相同原理的類似裝置，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(huì)使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)不息。后來曾有人將達(dá)芬奇的設(shè)計(jì)付諸實(shí)踐，制造了一部直徑5米的龐大機(jī)械，但是這些裝置經(jīng)過試驗(yàn)均以失敗告終。有人認(rèn)為如飛輪之類，一旦開始運(yùn)動(dòng)，若無摩擦阻力作用，是可以永久繼續(xù)運(yùn)動(dòng)下去的，這在實(shí)際上雖然不易實(shí)現(xiàn)，但是在道理上說得通，可以看作一種實(shí)際

9、的極限情況。他們還認(rèn)為：所謂永動(dòng)機(jī)并不是指這種情況，不是試圖去保持永恒的運(yùn)動(dòng)，而是期望在沒有外界能源供給，即不消耗任何燃料和動(dòng)力的情況下，源源不斷地得到有用的功。事實(shí)上，這種顧慮是完全沒有必要的。Figure . Drawing of a wheel that is eternally outof balance. It is sometimes very difficult toexplain the mechanical fault that keeps thesemachines from running. It is much easier to attacktheir violati

10、ons of the first law ofthermodynamics.關(guān)于這些問題，焦耳于1843年設(shè)計(jì)完成了著名的焦耳實(shí)驗(yàn)。焦耳在一水槽中方有一容器，其左側(cè)充以低壓氣體（看成系統(tǒng)）,右側(cè)抽成真空，中間以旋塞連接。實(shí)驗(yàn)中打開旋塞，使氣體向真空膨脹，直至平衡，然后通過水浴中的溫度計(jì)觀測(cè)水溫的變化，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)水溫維持不變。由于實(shí)驗(yàn)中采用低壓氣體，因此可以看成是理想氣體。雖然焦耳設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)并不精確，但焦耳將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砜珊?，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)表明，自然界的一切物質(zhì)都具有能量，它可以有多種不同的形式，但通過適當(dāng)?shù)难b置，能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，在相互轉(zhuǎn)化中，能量的總數(shù)量不變。我們?cè)谶@里引入

11、熱力學(xué)第一定律。熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律對(duì)非孤立系統(tǒng)的擴(kuò)展。此時(shí)能量可以以功w或熱量Q的形式傳入或傳出系統(tǒng)。即：Eint=Q+W式中Eint為系統(tǒng)內(nèi)能的變化量（即我們課本上的U,課本上公式為U=Q+W），若外界對(duì)該系統(tǒng)做功，則W為正值，反之為負(fù)值。寫成微分形式為：dEint=dQ-dW(即課本上的dU=Q+W）對(duì)其進(jìn)行具體闡述即為以下幾點(diǎn)： 1. 物體內(nèi)能的增加等于物體吸收的熱量和對(duì)物體所作的功的總和。2. 系統(tǒng)在絕熱狀態(tài)時(shí)，功只取決于系統(tǒng)初始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)的能量，和過程無關(guān)。3. 孤立系統(tǒng)的能量永遠(yuǎn)守恒。4. 系統(tǒng)經(jīng)過絕熱循環(huán)，其所做的功為零，因此第一類永動(dòng)機(jī)是不可能的（即不消耗能量做功

12、的機(jī)械）。5. 兩個(gè)系統(tǒng)相互作用時(shí)，功具有唯一的數(shù)值，可以為正、負(fù)或零。我們可以看到，熱力學(xué)第一定律的本質(zhì)是能量守恒原理，即隔離系統(tǒng)無論經(jīng)歷何種變化，其能量守恒。綜上所述，我們可知，自然界的一切物質(zhì)都具有能量，它可以有多種不同的形式，但通過適當(dāng)?shù)难b置，能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，在相互轉(zhuǎn)化中，能量的總數(shù)量不變，因?yàn)槟芰康霓D(zhuǎn)化是有方向性的，自然界里無論什么運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生熱，熱向四周擴(kuò)散，成為無用的能量。如不補(bǔ)給能量，任何運(yùn)動(dòng)著的機(jī)器都會(huì)停下來。換個(gè)方面講，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。精確的計(jì)算可以證明，總會(huì)有一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢茫?/p>

13、使左右兩側(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。如果這種永動(dòng)機(jī)真的能夠制成，那么就可以不使用任何自然能源無中生有地得到無限多的動(dòng)力，而這明顯與熱力學(xué)第一定律相違背。Robert Fludd's 1618 "water screw" perpetual motion machine from a 1660wood engraving. This device is widely credited as the first recordedattempt to describe such a device in orde

14、r to produce useful work,that of driving millstones. Although the machine would not work, theidea was that water from the top tank turns a water wheel (bottom-left),which drives a complicated series of gears and shafts that ultimatelyrotate the Archimedes' screw (bottom-center to top-right) to p

15、umpwater to refill the tank. The rotary motion of the water wheel alsodrives two grinding wheels (bottom-right) and is shown as providingsufficient excess water to lubricate them.除了利用力矩變化的魔輪，還有利用浮力、水力等原理細(xì)管子的毛細(xì)作用等的永動(dòng)機(jī)問世。如斯特爾的永動(dòng)機(jī)（著名的利用水的永動(dòng)機(jī)，曾出現(xiàn)在中學(xué)課本）。16世紀(jì)70年代，意大利的一位機(jī)械師斯特爾提出了一個(gè)永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。他在設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為，由上面水槽流出的

16、水，沖擊水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪在帶動(dòng)水磨轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過一組齒輪帶動(dòng)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，整個(gè)裝置可以這樣不停地運(yùn)轉(zhuǎn)下去，并有效地對(duì)外做功。實(shí)際上，流回水槽的水越來越少，很快水槽中的水就全部流進(jìn)了下面的蓄水池，水輪機(jī)也就停止了轉(zhuǎn)動(dòng)。浮力也是設(shè)計(jì)永動(dòng)機(jī)的一個(gè)好幫手。是一個(gè)著名的浮力永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案。一連串的球，繞在上下兩個(gè)輪子上，可以像鏈條那樣轉(zhuǎn)動(dòng)。右邊的一些球放在一個(gè)盛滿水的容器里。設(shè)計(jì)者認(rèn)為，右邊如果沒有那個(gè)盛水的容器，左右兩邊的球數(shù)相等，鏈條是會(huì)平衡的。但是，現(xiàn)在右邊這些球浸在水里，受到了水的浮力，就會(huì)被水推著向上移動(dòng)，也就帶動(dòng)整串球繞上下兩個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。上面有一個(gè)球

17、露出水面。下面就有一個(gè)球穿過容器底，補(bǔ)充進(jìn)來。這樣的永動(dòng)機(jī)也沒有制成，是不是因?yàn)橐旅娴那蚰軌蛲ㄟ^容器底，而又不能讓水漏出來，制造起來技術(shù)上有困難呢？技術(shù)上的困難并不是主要問題，主要問題還是出在設(shè)計(jì)的原理上。當(dāng)下面的球穿過容器底的時(shí)候，它和容器底一樣，要承受上面水的壓力，而且是因?yàn)樵谒淖钕虏?，所以它受到的壓力很大。這個(gè)向下的壓力，就會(huì)抵消上面幾個(gè)球所受的浮力，這個(gè)水動(dòng)機(jī)也就無法永動(dòng)了。Figure . The perpetual watermill of Fludd.machine violates the first law ofthermodynamics. In reality it

18、could only operateuntil its initial supply of energy, which itobtained from the lacky who filled the upperreservoir, is exhausted. This我們?cè)賹?duì)其他的一些第一類永動(dòng)機(jī)進(jìn)行反駁。大約在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼爾斯，提出用磁石的吸力可以實(shí)現(xiàn)永動(dòng)機(jī)。他的設(shè)計(jì)如下所示，A是一個(gè)磁石，鐵球C受磁石吸引可沿斜面滾上去，滾到上端的E處，從小洞B落下，經(jīng)曲面BFC返回，復(fù)又被磁石吸引，鐵球就可以沿螺旋途徑連續(xù)運(yùn)動(dòng)下去。大概他那時(shí)還沒有建立庫侖定律，不知道電場(chǎng)力大小是

19、與距離的平方成反比變化的，只要認(rèn)真想一想，其荒謬處就一目了然了。17世紀(jì)和18世紀(jì)時(shí)期，人們又提出了新的各種永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，宮廷里聚集了形形色色的企圖以這種虛幻的發(fā)明來掙錢的方案設(shè)計(jì)師，這一切像海市蜃樓一樣吸引著研究者們。17世紀(jì)，英國有一個(gè)被關(guān)在倫敦塔下叫馬爾基斯的犯人，他做了一臺(tái)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的“永動(dòng)機(jī)”。那是一個(gè)直徑達(dá)43米的轉(zhuǎn)輪，有40個(gè)各重23千克的鋼球沿轉(zhuǎn)輪輻翼外側(cè)運(yùn)動(dòng)，使力矩加大，待轉(zhuǎn)到高處時(shí)，鋼球會(huì)自動(dòng)地滾向中心。據(jù)說，他曾向英國國王查理一世表演過這一裝置。國王看了很是高興，就特赦了他。其實(shí)這臺(tái)機(jī)器是靠慣性來維持短時(shí)運(yùn)動(dòng)的。軟臂永動(dòng)機(jī)， 19世紀(jì)有人設(shè)計(jì)了一種特殊機(jī)構(gòu)。它的臂可以彎曲

20、。臂上有槽，小球沿凹槽滾向伸長的臂端，使力矩增大。轉(zhuǎn)到另一側(cè)，軟臂開始彎曲，向軸心靠攏。設(shè)計(jì)者認(rèn)為這樣可以使機(jī)器獲得轉(zhuǎn)矩。然而，他沒有想到力臂雖然縮短了，阻力卻增大了，轉(zhuǎn)輪只能停止在原地。另外在1980年代的巴黎博覽會(huì)上，曾展出過一種“永動(dòng)機(jī)裝置”：這個(gè)裝置是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的大輪子，參觀博覽會(huì)的觀眾對(duì)這架永動(dòng)機(jī)非常好奇，紛紛逆旋轉(zhuǎn)方向推動(dòng)輪盤，以期阻止輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)永動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)者正是利用了觀眾的好奇心，讓他們向后轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤的動(dòng)作為永動(dòng)機(jī)上緊發(fā)條，維持裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。Figure. Taisnierus Lodestone Motor. This is a staple of discussiono

21、n perpetual motion. Unfortunatelypeople get bogged down explainingthe mechanical deficiencies of thedevice rather than explain why itviolates the second law of thermodynamics.還有一些第一類永動(dòng)機(jī)，我們來看看維基百科上的講解和反駁。This is a gallery of some of the perpetual motion machine plans. The "Overbalanced Wheel&quo

22、t;. It was thought that the metal ballson the right side would turn the wheel because of the longer leverarm, but since the left side had more balls than the right side,the torque was balanced and the perpetual movement could not beachieved.The "Float Belt". The yellow blocksindicatefloate

23、rs.Itwas thought that the floaters would rise through the liquidand turn the belt. However pushing the floaters into the waterat the bottom would require more energy than the floating couldgenerate.The "Capillary Bowl". It was thought that thecapillary action would keep the water flowing i

24、n thetube, but since the cohesion force that draws theliquid up the tube in the first place holds the droplet from releasinginto the bowl, the flow is not perpetual. 類似的例子還有許多，這里就不詳細(xì)描述了。當(dāng)然就在一些人熱衷于制造永動(dòng)機(jī)的同時(shí)，也不乏清醒者，科學(xué)家們從力學(xué)基本理論的研究中逐步認(rèn)識(shí)到了自然界的客觀規(guī)律性。斯蒂文于1568年寫了一本靜力學(xué)基礎(chǔ)，其中討論斜面上力的分解問題時(shí)，明確地提出了永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的觀點(diǎn)。他所用的插

25、圖畫在該書扉頁上，上方寫著：“神奇其實(shí)并不神奇?！睂?4個(gè)等重的小球均勻地用線穿起組成首尾相連的球鏈，放在斜面上，他認(rèn)為鏈的“運(yùn)動(dòng)沒有盡頭是荒謬的”，所以兩側(cè)應(yīng)平衡。關(guān)于永動(dòng)機(jī)的不可能，還應(yīng)當(dāng)提到荷蘭物理學(xué)家司提芬。16 世紀(jì)之前，在靜力學(xué)中，人們只會(huì)處理求平行力系的合力和它們的平衡問題，以及把一個(gè)力分解為平行力系的問題，還不會(huì)處理匯交力系的平衡問題。為了解決這類問題，人們把他歸結(jié)于解決三個(gè)匯交力的平衡問題。通過巧妙的論證解決了這個(gè)問題。假如你把一根均勻的鏈條ABC放置在一個(gè)非對(duì)稱的直立（無摩檫）的楔形體上，這時(shí)鏈條上受兩個(gè)接觸面上的反力和自身的重力。恰好是三個(gè)匯交力。鏈條會(huì)不會(huì)向這邊或那邊滑動(dòng)？如果會(huì)，往哪一邊？司提芬想象把楔形體停在空中，在底部由CDA 把鏈條連起來使之閉合。最后解決了這個(gè)問題。在底部懸掛的鏈條自己是平衡的，把懸掛的部分和上部的鏈條連起來，斯提芬說：“假如你認(rèn)為楔形體上的鏈條不平衡，我就可以造出永動(dòng)機(jī)。”事實(shí)上如果鏈條會(huì)滑動(dòng)，那么你就必然會(huì)推出封閉的鏈條會(huì)永遠(yuǎn)滑下去；這顯然是荒謬的，回答必然是鏈條不動(dòng)。并且他由此得到了匯交三力平衡的條件。他覺得這一證明很妙，就把它放在他的著作數(shù)學(xué)備忘錄（Hypomnemata Mathematica）的扉頁上，