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永动机与能量守恒

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永动机

永动机指的是,不需消耗任何形式的能量,而能永远对外做功的机器。

物理学理论与实际尝试制造的失败案例均证明,永动机是不可能制造出来的。

永动机

永动机违背基本物理学原理

永动机是一类所谓不需外界输入能源、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。不消耗能量而能永远对外做功的机器,它违反了能量守恒定律,故称为“第一类永动机”。

在没有温度差的情况下,从自然界中的海水或空气中不断吸取热量而使之连续地转变为机械能的机器,它违反了热力学第二定律,故称为“第二类永动机”。这两类永动机是违反当前客观科学规律的概念,是不能够被制造出来的。

能量守恒定律

能量守恒定律也称能的转化与守恒定律。

其内容:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体;在转化或转移的过程中,能量的总量不变。

热力学第二定律

热力学第二定律是热力学的四条基本定律之一,表述热力学过程的不可逆性——孤立系统自发地朝热力学平衡方向──最大熵狀態──演化,同样地,第二类永动机永不可能实现。

热力学第二定律也可以表述为这样的一句话:不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。

典型的永动机尝试案例

一起讨论几个人类史上典型的尝试制造永动机却都失败的案例。

永动机

1.印度学者研究永动机

永动机的想法起源于印度,公元1200年前后,这种思想从印度传到了伊斯兰教世界,并从这里传到了西方。在欧洲,早期最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来的。如图所示:轮子中央有一个转动轴,轮子边缘安装着12个可活动的短杆,每个短杆的一端装有一个铁球。方案的设计者认为,右边的球比左边的球离轴远些,因此,右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去,并且带动机器转动。这个设计被不少人以不同的形式复制出来,但从未实现不停息的转动。仔细分析一下就会发现,虽然右边每个球产生的力矩大,但是球的个数少,左边每个球产生的力矩虽小,但是球的个数多。于是,轮子不会持续转动下去而对外做功,只会摆动几下,便停下来。

2.达芬奇与永动机

达芬奇的永动机模型

文艺复兴时期意大利的达·芬奇也造了一个类似的装置,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,但实验结果却是否定的。
达·芬奇敏锐地由此得出结论:永动机是不可能实现的。事实上,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。

3.水利与浮力永动机

浮力永动机

16世纪70年代,意大利的一位机械师斯特尔又提出了一个永动机的设计方案。斯特尔在设计时认为,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,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。

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