永动机
perpetualmotionmachine
不可能实现的、违反热力学第一或第二定律的动力机械。
不消耗任何燃料或动力，却能不断地对外作功的机械叫做第一类永动机。能从单一热源（例如大地、海水或空气）不断地吸取热量，把它完全变为有用的功，而不带来其他影响的机械叫做第二类永动机。它们分别违背热力学第一、第二定律，都是不可能实现的幻想。见热力学第一定律，热力学第二定律。
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永动机的分类
任何发明都需要动力，永动机也不例外。既然人类幻想过永动机，这种幻想就会成为一种动力，由此也就有了形形色色的永动机的设想。
仅就文字记载而言，最早的永动机设想是13世纪哥特式建筑设计师韦拉尔·德·奥努克尔提出来的。他在一个大轮的轮缘上用合页安上7个木棰，木棰打击轮缘，使轮子转动，并带动其它机械做功。
1575年，意大利的斯脱拉达·斯泰尔许设计一个永动机（如图2—24）：先在上面水槽里装满水，从上冲下来的时候转动一个水轮，水轮可带动一块磨刀石（图左方）工作。同时，另外一组齿轮则带动螺旋吸水器，把水提升到上面的水槽里。源源不断地补充水槽中的水，整个装置就会不停地转动下去。1618年，英国医生罗伯特·弗鲁德采用同样“原理”还设计了一个磨麦子的永动机。
尽管人们对永动机的幻想很早，但研制永动机的真正狂热则是在大工业发展起来以后。不管是职业技师，还是业余爱好者，很多人都想利用已有的科学技术成果，试图在永动机上有所突破，从浮力、水流、毛细现象、热能、光能、磁力、电力、到化学反应等各个方面，都有人探寻过永动机的原理和设计，提出的方案先后不下几百种。在这各式各样的永动机中，可以大致划分为两种类型：
无中生有的永动机
这类永动机的设计者是想从根本上不供给任何一点能量，全靠机器本身永动做功。早在中世纪时就有人依照这种思路设计过永动机，图2—25所示就是当时的一种设计。在轮子的边缘上装着许多活动的短杆，杆的一端装一个铁球。无论轮子转到什么位置，右边的各个铁球总比左边的各个铁球离轴远一些。
根据杠杆原理，右边的这些球一定会压着轮子沿箭头指示方向转动。在以后各时刻，轮子上铁球的分布一直会保持初始状态，右边的铁球给轮子的压力会始终存在，轮子也就会永远地旋转下去。
到了19世纪初叶，有人又对图2—25提出了改良方案，如图2—26所示。与图2—25比较，短杆改用一些只可以向左而不能向右弯曲的长臂，每个长臂末端可以容纳一个能够自由滚动的球。当一个长臂到达甲处的时候，它的末端所容纳的球恰好掉下来，然后沿着一个固定的斜面滚到乙处，恰好此时这同一长臂也转到乙处，并仍由它接住从斜面上滚下的球。那些处在轮子右边的球离轴都比较远，它们会压着中间的轮子转动，周而复始，永不停止。
以小易大的永动机
这类永动机的共同特征是先供给机器少许能量，然后就可不间断地利用它做功。图2—29就是按照这种思路设计的一种永动机，其中甲轮上带有多个相联结的水斗。先由人力转动甲轮，并通过水斗将水提上来。当提上的水到达丙管时，就经由丙管流出，冲击乙轮。用皮带把甲、乙两轮连起来，一旦乙轮开始转动，就可以带动甲轮。以后就不用人再去转动甲轮，它自己就会转动下去。冲击水轮后的水可用于灌溉，为人类造福。
图2—30是又一种形式的永动机，叫风动摩托车。车的行李架上安装一部空气压缩机，先供给一些能量让空气压缩机压缩一些空气，利用这种压缩空气开动风动摩托车。由于摩托车的后轮通过链条可带动空气压缩机进一步压缩空气，这部分压缩空气又继续用于开动风动发动机，风动摩托车就会不停地运动下去。
各种各样的永动机都是不可能的
几个世纪以来，尽管人们一直幻想发明永动机，但这样的机器始终无法制造成功，因为它是违反物理学的基本原理的。
能量守恒和转化定律不能违背
能量守恒和转化定律是19世纪上半叶的重大发现之一，是由好几位科学家从不同的角度提出的：英国的焦耳从想制造永动机开始，研究了各种能量之间的转换关系，发现不管用什么样的方法来做一定的功，其产生的热量必然是一定的；反过来，一定的热量也必然能做一定的功，不可能多，也不可能少。德国医生迈尔从热带地方人的静脉血鲜红领悟出能量守恒的道理。卡诺通过热机的研究接近了能量守恒。1847年亥姆霍兹通过数学方法论证了能量守恒；1850年，克劳修斯提出热力学第二定律，同时指出不可能从单一热源取热使之完全去作有用的功，并且只有从高温热源取热给低温热源来获得机械能。能量守恒定律是支配自然界的最根本的客观规律，它“无孔不入”，无论是发生什么样的事物间的变化，都要遵守能量守恒定律。既然能量是守恒的，不管过程如何变化，变来变去，到最终能量也不可能多出一些。显然无中生有的永动机和以小易大的永动机都是违反能量守恒的，因而都是不可能的。
摩擦力是永远消除不了的
摩擦力是自然界存在的一种真实力，长期以来，人们为了克服它，想尽了各种办法，车轮的发明，滚动的应用，以及将接触面变得光滑……都是为了减少摩擦力。但摩擦力只能减少，永远无法完全消除，因为一旦完全消除了摩擦力，人将寸步难行，世界也不再有高低之别。同样的道理，物体运动时空气阻力也是无法完全消除的。这样物体运动时，由于摩擦力和空气阻力的存在，必然不断地消耗能量。在缺乏能量供应的情况下，永动机自然也就不可能了。
在能量守恒定律没有发现的时代，一些人已经明确地意识到了这一点，达·芬奇就是其中有代表性的一个。1508年，达·芬奇用石头和木头开始了对固体摩擦的实验研究，这种研究使他意识到永动机是不可能的。他指出：“在人们的多余的、并且不可能实现的幻想中，有一种对连续运动的探索，这被一些人称之为‘永动轮’，许多世纪以来，对于研究水力机，战争机械和类似东西的几乎所有的人来说，几乎都在这个问题上进行了很长时间的研究，做了大量试验，花费了巨大资金，但得到的总是像炼金术士那样，一无所获。”他诚心规劝这些人说：“永恒运动的探索者啊，在这类似的探索中，你已经创造了多少无用的幻想？快放弃你的位置，去做一个追求黄金的探索者吧！”
面对着大量探索失败的局面，法国巴黎科学院也在1775年宣布，不再刊载有关永动机的通讯，不再接受任何永动机的申请。在能量守恒定律被发现以后，美国为了拒绝永动机的专利申请，特规定，申请书必须附上工作模型。
警惕冒牌的永动机
在从事永动机研究的人士中，共有两种情况，一种是不了解自然界存在能量守恒定律，想借永动机的制造发财；另一种就是骗子，借发明永动机之名，行骗取钱财之实。达·芬奇就目睹了第一种人：他们从不同的国家，怀着发财的希望来到威尼斯，从事静水中磨机的建造。他们允诺一定会成功，但经过巨大的花费和努力之后，没有一个人能使这种机器运转起来，他们只好偷偷逃之夭夭。第二种人也不乏历史上的记录：1714年，德国的奥尔菲留斯声言发明了一个永动机（他称之为“自动轮”），并在社会上进行了成功的表演，有一位州官还特地请他去试验这架机器。发明家把机器放置在一个专门的房间内，房门上锁，有两名卫兵守卫，不许任何人接近。在这个房间里机器整整转了两个月不停。州官看了十分赞赏，发给他一张正式的证明文件，证明他的永动机每分钟可以转50转，能够把16千克的重物提高到1．5米的高度，而且还能带动风箱和磨刀床。奥尔菲雷斯带着这个文件开始在欧洲到处表演，消息很快传遍欧洲，他收到了欧洲各地寄来的称赞信件，诗人把他的神奇的轮子写成诗篇和歌词。波兰国王首先对这个机器发生了兴趣，俄国皇帝彼德一世还特别派了外交官去交涉，想用高价收买这个机器，而且还打算连发明家一起请来（这个打算还没有实现，彼德一世就死了）。
奥尔菲留斯的“自动轮”很大，结构如图2—31所示。由于发明人和女仆吵了架，奥尔菲留斯的永动机的奥秘真相大白。原来这是一场骗局，机器是由隐藏着的人牵动绳子才得以转动的，那个隐藏着的牵动绳子的人正是和发明家吵架的那个女仆（如图2—32）。
1856年前后，美国康涅狄克州的E．P．威尔斯机械师使用“不平衡轮”造了一架永动机，利用轮上重锤的滑动来带动轮的运转。整个机器用玻璃罩罩住，很像是永动的。不久秘密被揭穿，发明人在一根做支架的柱子上留了一个经过掩饰的开口，压缩空气经由此口喷出，推动整个装置运转。加上机器外面有玻璃罩罩住，更不容易发觉发明家的作弊。
美国的另一个骗子J．W．基利（1837—1898）骗术更为精巧。他公开声明自己绝不凭空制造能量，而是通过共振使水重新结合起来，从而产生大量的能。他能言善辩，又使用了一些高深莫测的词，使人信以为真。1872年，有10来名工程师和资本家合计筹资1万美元，成立了基利永动机公司。1874年在费城进行了公开表演，现场机器仪表显示，该机器可产生每平方英寸5万磅的压力，粗粗的绳子可被机器拉断，铁棒可被机器压弯，利用机器打出的子弹可穿透12英寸的甲板。表演成功之后，基利宣告要开始生产商业性实用机械，要求投资者增加投资。投资虽大幅度增加了，但机器始终生产不出来。24年后的1898年基利死了，出资者调查中才发现，基利连一幅机器设计图纸都没有画出来，而数十万美元的投资已被基利挥霍一空。同时发现，基利的永动机完全是一场骗局，在基利的实验所的地板下藏着高压气箱，用管道与机器上每个必要的部位相连通，机器运转的动力实际上是压缩空气。
从研究永动机得到的意外收获
前已提及，英国科学家焦耳也曾被永动机这一“奇妙”的发明所吸引，并为此做了一二十年的实验，但最后他留给后世的并不是永动机，而是证明永动机不可能的“热功当量定律”，这应该算是研究永动机得到的意外收获。
斯台文是这方面的另一个例子。在他那个时代（16世纪末—17世纪初），有一种永动机是广泛被谈论着的，如图2—33所示，有14个能滚动的很重的铁球用链子连起来放在一个三棱体上。三棱体的一边比较斜，一边比较陡，且斜的一边比陡的一边长些。永动机的制造者们相信，斜的一边上有4个重铁球，陡的一边只有两个重铁球，4个铁球的下滑力自然比两个铁球大，整个装置就会如箭头所指示的方向滑下来。一旦左边滑下去一个重球，右边一定同时补充上一个重球，左边的斜面上依然是4个重球，右边的斜面上仍只有两个重球，永远是左边的下滑力大于右边的下滑力，球链就会永远不断地运动下去。荷兰科学家斯台文在研究这种永动机时，从经验出发判断它不可能永动，因为左边球虽多，但斜面缓，每个球产生的向下拉力小，右边球虽少，但斜面陡，每个球产生的向下拉力大，结果两边斜面向下的拉力一样大。至此，斯台文并没有停止思维，他又把该问题进一步引向深入：由于球的个数跟斜面的长度成正比，每个球都是一样重，所以各边球的总重也一定跟斜面长成正比，即下面公式成立：
这就是有名的两个斜面上力量平衡的定律。
焦耳和斯台文的发现告诉我们，对一些完全错误的理论和发明，也不应该用绝对的观点看待它们，错误中隐含有某些成功，有时候会起到意想不到的作用。究竟谁能从错误中抓到这些成功，就看各人的思维方法了。