第一类永动机论文beta_永动机论文
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第一类永动机
perpetual-motion machine of the first kind
永动机(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 consume, whether they might operate indefinitely or not.)是一类想象中的不需外界输入能源、能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断运动并且对外做功的机械。历史上人们曾经热衷于研制各种类型的永动机，其中包 括达芬奇、焦耳这样的学术大家，另外包括一些希望以永动机出名和获利的骗子。在热力学体系建立后，人们通过严谨的逻辑证明了永动机是违反热力学基本原理的设想，从此之后就少有永动机的研究者了。不过从一个侧面也可以认为，人类对永动机的热情以及制造永动机的种种实践，推动了热力学体系的建立和机械制造技术的进步。(Claification A perpetual 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 thermal 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 spontaneously cooled without involving a transfer of heat to a cooler reservoir.This conversion of heat into useful work, without any side effect, is impoible, according to the second law of thermodynamics.)第一类永动机（Perpetual-motion machine of the first kind，a perpetual motion machine of the first kind produces work without the input of energy.）是最古老的永动机概念，这一类永动机试图以机械的手段在不获取能源的前提下使体系持续地向外界输出能量。历史上最著名的第一类永动机是法国人亨内考在十三世纪提出的“魔轮”，魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂实现永动，向下行方向的悬臂在重力作用下会向下落下，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的悬臂在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮的转动。
十五世纪，著名学者达芬奇也曾经设计了一个相同原理的类似装置，他设计时认为，右边的重球比左边的重球离轮心更远些，在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息。后来曾有人将达芬奇的设计付诸实践，制造了一部直径5米的庞大机械，但是这些装置经过试验均以失败告终。有人认为如飞轮之类，一旦开始运动，若无摩擦阻力作用，是可以永久继续运动下去的，这在实际上虽然不易实现，但是在道理上说得通，可以看作一种实际的极限情况。他们还认为：所谓永动机并不是指这种情况，不是试图去保持永恒的运动，而是期望在没有外界能源供给，即不消耗任何燃料和动力的情况下，源源不断地得到有用的功。事实上，这种顾虑是
完全没有必要的。
关于这些问题，焦耳于1843年设计完成了著名的焦耳实验。
焦耳在一水槽中方有一容器，其左侧充以低压气体（看成系统）,右侧
抽成真空，中间以旋塞连接。实验中打开旋塞，使气体向真空膨胀，直至
平衡，然后通过水浴中的温度计观测水温的变化，试验中发现水温维持不
变。由于实验中采用低压气体，因此可以看成是理想气体。
虽然焦耳设计的实验并不精确，但焦耳将实验结果进行适当的处理可
后，发现该实验表明，自然界的一切物质都具有能量，它可以有多种不同的形式，但通过适当的装置，能从一种形式转化为另一种形式，在相互转
化中，能量的总数量不变。
我们在这里引入热力学第一定律。热力学第一定律是能量守恒定律对非
孤立系统的扩展。此时能量可以以功w或热量Q的形式传入或传出系统。即：
△Eint=Q+W
式中ΔEint为系统内能的变化量（即我们课本上的△U,课本上公式为△
U=Q+W），若外界对该系统做功，则W为正值，反之为负值。
写成微分形式为：
dEint=dQ-dW
(即课本上的dU=Q+W）
对其进行具体阐述即为以下几点：
1.物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所作的功的总和。
2.系统在绝热状态时，功只取决于系统初始状态和结束状态的能
量，和过程无关。
3.孤立系统的能量永远守恒。
4.系统经过绝热循环，其所做的功为零，因此第一类永动机是不可
能的（即不消耗能量做功的机械）。
5.两个系统相互作用时，功具有唯一的数值，可以为正、负或零。
我们可以看到，热力学第一定律的本质是能量守恒原理，即隔离系统
无论经历何种变化，其能量守恒。
综上所述，我们可知，自然界的一切物质都具有能量，它可以有多种不同的形式，但通过适当的装置，能从一种形式转化为另一种形式，在相互转化中，能
量的总数量不变，因为能量的转化是有方向性的，自然界里无论什么运动都会产
生热，热向四周扩散，成为无用的能量。如不补给能量，任何运动着的机器都会停下来。换个方面讲，由杠杆平衡原理可知，上面两个设计中，右边每个重物施加于轮子的旋转作用虽然较大，但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明，总会有一个适当的位置，使左右两侧重物施加于轮子的相反方向的旋转作用（力矩）恰好相等，互相抵消，使轮子达到平衡而静止下来。如果这种永动机真的能够制成，那么就可以不使用任何自然能源无中生有地得到无限多的动力，而这明显与热力学第一定律相违背。
除了利用力矩变化的魔轮，还有利用浮力、水力等原理细管子的毛细作用等的永动机问世。如斯特尔的永动机（著名的利用水的永动机，曾出现在中学课本）。
16世纪70年代，意大利的一位机械师斯特尔提出了一个永动机的设计方案。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。实际上，流回水槽的水越来越少，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。浮力也是设计永动机的一个好帮手。是一个著名的浮力永动机设计方案。一连串的球，绕在上下两个轮子上，可以像链条那样转动。右边的一些球放在一个盛满水的容器里。设计者认为，右边如果没有那个盛水的容器，左右两边的球数相等，链条是会平衡的。但是，现在右边这些球浸在水里，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两个轮子转动。上面有一个球露出水面。下面就有一个球穿过容器底，补充进来。这样的永动机也没有制成，是不是因为要下面的球能够通过容器底，而又不能让水漏出来，制造起来技术上有困难呢？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，所以它受到的压力很大。这个向下的压力，就会抵消上面几个球所受的浮力，这个水动机也就无法永动了。
我们再对其他的一些第一类永动机进行反驳。大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。他的设计如下所示，A是一个磁石，铁球C受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没有建立库仑定律，不知道电场力大小是与距离的平方成反比变化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。17世纪和18世纪时期，人们又提出了新的各种永动机设计方案，宫廷里聚集了形形色色的企图以这种虚幻的发明来挣钱的方案设计师，这一切像海市蜃楼一样吸引着研究者们。17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”。那是一个直径达4．3米的转轮，有40个各重23千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台机器是靠惯
性来维持短时运动的。软臂永动机 19世纪有人设计了一种特殊机构。它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转轮只能停止在原地。另外在1980年代的巴黎博览会上，曾展出过一种“永动机装置”：这个装置是一个不停转动的大轮子，参观博览会的观众对这架永动机非常好奇，纷纷逆旋转方向推动轮盘，以期阻止轮子的转动。这个永动装置的设计者正是利用了观众的好奇心，让他们向后转动轮盘的动作为永动机上紧发条，维持装置的运转。类似的例子还有许多，这里就不详细描述了。
当然就在一些人热衷于制造永动机的同时，也不乏清醒者，科学家们从力学基本理论的研究中逐步认识到了自然界的客观规律性。斯蒂文于1568年写了一本《静力学基础》，其中讨论斜面上力的分解问题时，明确地提出了永动机不可能实现的观点。他所用的插图画在该书扉页上，上方写着：“神奇其实并不神奇。”将14个等重的小球均匀地用线穿起组成首尾相连的球链，放在斜面上，他认为链的“运动没有尽头是荒谬的”，所以两侧应平衡。关于永动机的不可能，还应当提到荷兰物理学家司提芬。16 世纪之前，在静力学中，人们只会处理求平行力系的合力和它们的平衡问题，以及把一个力分解为平行力系的问题，还不会处理汇交力系的平衡问题。为了解决这类问题，人们把他归结于解决三个汇交力的平衡问题。通过巧妙的论证解决了这个问题。假如你把一根均匀的链条ABC放置在一个非对称的直立（无摩檫）的楔形体上，这时链条上受两个接触面上的反力和自身的重力。恰好是三个汇交力。链条会不会向这边或那边滑动？如果会，往哪一边？司提芬想象把楔形体停在空中，在底部由CDA 把链条连起来使之闭合。最后解决了这个问题。在底部悬挂的链条自己是平衡的，把悬挂的部分和上部的链条连起来，斯提芬说：“假如你认为楔形体上的链条不平衡，我就可以造出永动机。”事实上如果链条会滑动，那么你就必然会推出封闭的链条会永远滑下去；这显然是荒谬的，回答必然是链条不动。并且他由此得到了汇交三力平衡的条件。他觉得这一证明很妙，就把它放在他的著作《数学备忘录（Hypomnemata Mathematica）》的扉页上，他的同辈又把它刻在他的墓碑上以表达敬仰之意。汇交力系的平衡问题解决，也标志着静力学的成熟。这甚至早于 1842年荷兰科学家迈尔提出能量守恒和转化定律；1843年英国科学家詹姆斯·焦耳提出热力学第一定律,当然这是与热力学定律的互相补充与完善。
经过试验，已确认这些永动机方案失败或仅只是骗局，无一成功。1775年法国科学家郑重通过了一项决议，拒绝审理永动机（《法国科学院的历史》一书中有如下记载：“这一年科学院通过决议，决定拒绝审理有关下列问题的解答：倍立方，三等分角，求与圆等面积的正方形，以及表现永恒运动的任何机器。” 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，其效果在一定时间之内也会是无限小。如果摩擦和阻力减小，初始的运动往往得以继续，但它不能与其他物体作用，在这种自然界不可能存在的假设中，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。这些研究的缺点是费用极度昂贵，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，往往为此浪费了他们的工具、时间和聪明才智。”），现在美国专利及商标局严禁将专利证书授予永动机类申请。
因而我们可以得到这么一个结论：热力学第一定律的表述方式之一就是，第一类永动机不可能实现。热力学第一定律就是涉及热现象领域内的能量守恒和转化定律。确实，历史上人们曾经热衷于研制各种类型的永动机，其中包括达芬奇、焦耳这样的学术大家，另外包括一些希望以永动机出名和获利的骗子，但是他们体现了人们的不断追求，表现出了人们在追寻自然规律的过程中做出的种种努力与人类不断发展创新的信念，而且在对第一类永动机的研究中让人们更加深刻地理解了热力学第一定律，让我们了解到了第一类永动机的唯心本质。
第一类永动机是违反科学与自然规律的，是永远不会成功的。
10级化学工程与工艺（4）班
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