不可能實(shí)現(xiàn)的永動(dòng)機(jī)-中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

1、不可能實(shí)現(xiàn)的永動(dòng)機(jī)記得上初中的時(shí)候曾經(jīng)看過(guò)一本書(shū)名叫趣味物理學(xué)，非常的有趣，在看完了全書(shū)之后，我對(duì)其中的一個(gè)介紹永動(dòng)機(jī)的旗節(jié)產(chǎn)生了濃厚的興趣。由于當(dāng)時(shí)還沒(méi)怎么學(xué)過(guò)物理，對(duì)熱力學(xué)第一第二定律一無(wú)所知，幼稚而又天真的我整天就想設(shè)計(jì)一臺(tái)永動(dòng)機(jī)。為此我滿(mǎn)懷激情的進(jìn)行了一系列現(xiàn)在看來(lái)極為可笑的設(shè)計(jì)，結(jié)果不用說(shuō)，根本設(shè)計(jì)不出一臺(tái)符合要求的所謂的永動(dòng)機(jī)。后來(lái)學(xué)了一些物理，知道永動(dòng)機(jī)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。但我覺(jué)得這也在從另一個(gè)方面促進(jìn)了我對(duì)物理學(xué)的認(rèn)識(shí)和理解。我也從中感覺(jué)到對(duì)一些錯(cuò)誤命題的深入研究能促進(jìn)學(xué)術(shù)本身的向前?？v觀物理學(xué)的發(fā)展乃至整個(gè)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步又何嘗不是如此呢？故此我認(rèn)為我們沒(méi)必要回避永動(dòng)機(jī)這個(gè)話(huà)題。要知

2、道，有些著名命題的提出都和永動(dòng)機(jī)的研究有關(guān)，一些著名的物理學(xué)家都研究過(guò)永動(dòng)機(jī)，還有很多親自設(shè)計(jì)過(guò)永動(dòng)機(jī)方案。每一種全新概念永動(dòng)機(jī)的提出往往會(huì)帶來(lái)很多新的發(fā)現(xiàn)，而每一次對(duì)之否定的過(guò)程，又會(huì)加深人們對(duì)物理學(xué)莫些領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)。而人們?cè)谧非蟛缓哪艿耐昝姥b置的同時(shí)，又不經(jīng)意的設(shè)計(jì)了許多極其精妙的高效機(jī)械，帶來(lái)技術(shù)的革新。說(shuō)了這么多，我們不妨來(lái)看一些歷史上經(jīng)典的而又富有代表性永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。再由此做出一些分析。憑我們目前所學(xué)的知識(shí)，我想已經(jīng)足夠推翻大師們的“經(jīng)典”之作了文藝復(fù)興時(shí)期意大利的達(dá)？芬奇造了一個(gè)永動(dòng)機(jī)裝置設(shè)湎寸認(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。事

3、實(shí)上，由杠桿平衡原理可知，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?，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(lái)。十九世紀(jì)發(fā)現(xiàn)電、磁等新的自然力，有人又想把它組成最新式永動(dòng)機(jī)。結(jié)果也是徒勞的，一無(wú)所獲。首先浮力成為考慮的熱點(diǎn)。一個(gè)著名的浮力永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案是：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(mǎn)水的容器里。設(shè)計(jì)者認(rèn)為，右邊如果沒(méi)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

4、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)球露出水面。下面就有一個(gè)球穿過(guò)容器底，補(bǔ)充進(jìn)來(lái)。這樣的永動(dòng)機(jī)也沒(méi)有制成，是不是因?yàn)橐旅娴那蚰軌蛲ㄟ^(guò)容器底，而又不能讓水漏出來(lái)，制造起來(lái)技術(shù)上有困難呢？技術(shù)上的困難并不是主要問(wèn)題，主要問(wèn)題還是出在設(shè)計(jì)的原理上。當(dāng)下面的球穿過(guò)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(wú)法永動(dòng)了。后來(lái)，磁力也曾經(jīng)扮演過(guò)不小的角色。下面的這種磁力“永動(dòng)機(jī)”，是17世紀(jì)的英國(guó)人約翰?維爾金斯（捷斯特城的主教）設(shè)計(jì)的。在小柱上放一個(gè)強(qiáng)力的磁鐵Ao兩個(gè)斜的木槽

5、M和N疊著倚靠在小柱旁邊。上槽M的上端有一個(gè)小孔C,下槽N是彎曲的。這位發(fā)明家想，如果在上槽上放一個(gè)小鐵球B,那末由于磁鐵A的吸引力，小球會(huì)向上滾，可是滾到小孔處，它就要落到下槽N上，一宜滾到N槽的下端，然后順著彎曲處D繞上來(lái)，跑到上槽M上。在這里，它又受到磁鐵的吸引，重新向上滾，再?gòu)男】桌锫湎氯?，沿著N槽滾下去，然后再經(jīng)過(guò)彎曲處回到上槽里來(lái)，以便重新開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。這樣，小球就會(huì)不停地前后奔走，進(jìn)行“永恒的運(yùn)動(dòng)”。圖246想象中的"永動(dòng)機(jī).要指出它的錯(cuò)誤也并不又to為什么小球沿著N槽滾到它的下端以后，還會(huì)有一種速度，使它能夠順著彎曲處D繞到上面來(lái)呢？假如小球只是在重力這一個(gè)作用下滾動(dòng)的，

6、那它是不難順著彎曲處上升的，因?yàn)槟菚r(shí)候它是加速地向下滾的?？墒沁@小球是在重力和磁力這兩種力的作用下滾著的，并且磁力是這樣強(qiáng)，可以強(qiáng)迫小球從位置B上升到Co所以小球沿著N槽滾動(dòng)的時(shí)候不能加速前進(jìn)，而是要變慢的；即使它能滾到N槽的下端，也無(wú)論如何不能積蓄起一種速度，使自己能繞著彎曲處D上升。此外，人們還提出過(guò)利用輪子的慣性，細(xì)管子的毛細(xì)作用等獲得有效動(dòng)力的種種永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，但都無(wú)一例外地失敗了。其實(shí)，在所有的永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，我們總可以找出一個(gè)平衡位置來(lái)，在這個(gè)位置上，各個(gè)力恰好下互抵消掉，不再有任何推動(dòng)力使它運(yùn)動(dòng)。所有永動(dòng)機(jī)必然會(huì)在這個(gè)平衡位置上靜止下來(lái)，變成不動(dòng)機(jī)。各種永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案的失敗，制造

7、永動(dòng)機(jī)美好夢(mèng)想的破滅，對(duì)于每一個(gè)尋找永動(dòng)機(jī)的人是一個(gè)不小的打擊。但是，反思這一失敗的探索過(guò)程，它從反面給人類(lèi)以啟迪，一些科學(xué)家從這一否定的結(jié)論中開(kāi)始思考，提出這樣一個(gè)問(wèn)題：永動(dòng)機(jī)不可能制成，是不是說(shuō)明自然界存在著一條法則，它使我們不可能無(wú)中生有地獲得能也就是說(shuō)自然界各種能M之間存在著一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系。這方面的思考是能M轉(zhuǎn)化和守恒原理建立的線(xiàn)索之一。德國(guó)著名物理學(xué)家和生理學(xué)家亥姆霍茲就是從永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的這個(gè)事實(shí)入手研究發(fā)現(xiàn)能M轉(zhuǎn)化和守恒原理的追尋永動(dòng)機(jī)的失敗經(jīng)歷，可以給我們兩點(diǎn)啟示：首先，失敗的經(jīng)歷也有積極的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，永動(dòng)機(jī)的種種設(shè)計(jì)方案的失敗，引起了人們的反思，啟發(fā)了能M轉(zhuǎn)化和守恒的思想

8、，成為能M轉(zhuǎn)化和守恒原理建立的思考線(xiàn)索之一；其次，要依據(jù)科學(xué)規(guī)律辦事。歷史上追求永動(dòng)機(jī)的人們，并不是因?yàn)樗麄儧](méi)有一種良好的愿望，也不是他們?nèi)狈炭嚆@研的精神，只是由于他們做的是違背客觀規(guī)律的工作。最近又看到有一些人吹噓永動(dòng)機(jī)的模型。我想針對(duì)這些模型運(yùn)用自己已學(xué)的知識(shí)作出一些批判。國(guó)內(nèi)某報(bào)聲稱(chēng)中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所一位研究員發(fā)明的無(wú)偏二極管在不需要外加任何能源的條件下，只要環(huán)境溫度高于負(fù)273C,該器件就能奇跡般地輸出宜流電流，將是一種取之不盡、完全沒(méi)有污染的新型能源。據(jù)稱(chēng)“無(wú)偏二極管”從環(huán)境吸收熱量后，半導(dǎo)體中的電子能自發(fā)形成電流，電流流過(guò)負(fù)載電阻，電阻發(fā)熱，熱量散發(fā)到環(huán)境中，通過(guò)環(huán)境再還給

9、二極管，如此形成循環(huán)，二極管便可依靠從環(huán)境吸收熱量而持續(xù)輸出能量。該研究員聲稱(chēng)他的這項(xiàng)發(fā)明是利用所謂“內(nèi)能”，既不違反熱力學(xué)第一定律，也不違反熱力學(xué)第二定律，不是永動(dòng)機(jī)，而是像自然界中的水-空氣循環(huán)那樣“巧用循環(huán)”。其實(shí)水-空氣循環(huán)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是因?yàn)橛刑?yáng)能補(bǔ)充能量，與該研究員的“巧用循環(huán)”并不是一回事。“無(wú)偏二極管”是要“從單一室溫環(huán)境獲得能量”，而熱力學(xué)第二定律已指出，自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆的，要從單一和均勻的熱源（例如海洋、大氣層）吸取能量實(shí)現(xiàn)循環(huán)是不可能的。所以這個(gè)“無(wú)偏二極管”實(shí)際上就是違反熱力學(xué)第二定律的第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)。再來(lái)看一個(gè)更加有趣的例子。在赤道上

10、建一座40000公里的高塔，若頂上安置個(gè)百?lài)嵵厍颍ㄟ^(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的齒桿連接到地面，40000公里的高空，完全失重！在橫向上塔會(huì)迫使重球與地球同步，偏偏縱向上重球卻缺乏向心力的約束，因此，重球?qū)⒈桓咚偎Τ鋈?！不僅僅如此，重球升得越高，離心力會(huì)越大，它會(huì)加速！它會(huì)越來(lái)越快！于是齒桿就可以帶動(dòng)齒輪，然后是發(fā)電機(jī),這個(gè)方案貌似有理有據(jù)，我們暫且不論40000公里的高塔連自己的重量都承受不了。就設(shè)計(jì)本身而言不違反任何一條定律。設(shè)計(jì)者仿佛也看到永動(dòng)時(shí)代的到來(lái)。但我還是不得不很遺憾的指出，這個(gè)設(shè)計(jì)還是行不通的。我建議這個(gè)設(shè)計(jì)者去看看冰上芭蕾，瞧瞧演員旋轉(zhuǎn)時(shí)的展臂動(dòng)作，他或許就會(huì)明白了。首先，要提升長(zhǎng)齒桿，就要離心

11、力做功；但離心力做功是以犧牲帶動(dòng)塔一起旋轉(zhuǎn)的地球的動(dòng)能為代價(jià)的。這種動(dòng)能雖儲(chǔ)備頗豐，但畢竟有限！如果他真打算從地球那兒得到動(dòng)能，那地球的自轉(zhuǎn)速度就會(huì)大大降低，那時(shí)我們就不得不面對(duì)漫漫的長(zhǎng)日與長(zhǎng)夜了！時(shí)至今日，仍然還有人在研究設(shè)計(jì)各種形式的永動(dòng)機(jī)，對(duì)此我的態(tài)度是設(shè)計(jì)永動(dòng)機(jī)本身是沒(méi)有任何意義的，但在研究的過(guò)程中有新的發(fā)現(xiàn)有新的見(jiàn)解，能推動(dòng)物理學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展，這是我們所愿意看到的。至于由此而發(fā)明的新技術(shù)新成果更是我們所歡迎的。但如果打著制造永動(dòng)機(jī)的幌子招搖撞騙那就實(shí)在是讓人有點(diǎn)哭笑不得了，在自然科學(xué)已經(jīng)高度發(fā)展的今天，有那么多人會(huì)相信永動(dòng)機(jī)的存在，這不能不說(shuō)是一個(gè)可悲的事實(shí)。最后我想向老師請(qǐng)教一個(gè)關(guān)于能量守恒的提法：是否存在這樣的非保守場(chǎng)：某個(gè)物體在這個(gè)場(chǎng)中沿兩個(gè)不同的閉