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    永動機與能量守恒

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    永動機

    永動機指的是,不需消耗任何形式的能量,而能永遠對外做功的機器。

    物理學理論與實際嘗試制造的失敗案例均證明,永動機是不可能制造出來的。

    永動機

    永動機違背基本物理學原理

    永動機是一類所謂不需外界輸入能源、能量或在僅有一個熱源的條件下便能夠不斷運動并且對外做功的機械。不消耗能量而能永遠對外做功的機器,它違反了能量守恒定律,故稱為“第一類永動機”。

    在沒有溫度差的情況下,從自然界中的海水或空氣中不斷吸取熱量而使之連續地轉變為機械能的機器,它違反了熱力學第二定律,故稱為“第二類永動機”。這兩類永動機是違反當前客觀科學規律的概念,是不能夠被制造出來的。

    能量守恒定律

    能量守恒定律也稱能的轉化與守恒定律。

    其內容:能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉化為其他形式,或者從一個物體轉移到另一個物體;在轉化或轉移的過程中,能量的總量不變。

    熱力學第二定律

    熱力學第二定律是熱力學的四條基本定律之一,表述熱力學過程的不可逆性——孤立系統自發地朝熱力學平衡方向──最大熵狀態──演化,同樣地,第二類永動機永不可能實現。

    熱力學第二定律也可以表述為這樣的一句話:不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不產生其他影響。

    典型的永動機嘗試案例

    一起討論幾個人類史上典型的嘗試制造永動機卻都失敗的案例。

    永動機

    1.印度學者研究永動機

    永動機的想法起源于印度,公元1200年前后,這種思想從印度傳到了伊斯蘭教世界,并從這里傳到了西方。在歐洲,早期最著名的一個永動機設計方案是十三世紀時一個叫亨內考的法國人提出來的。如圖所示:輪子中央有一個轉動軸,輪子邊緣安裝著12個可活動的短桿,每個短桿的一端裝有一個鐵球。方案的設計者認為,右邊的球比左邊的球離軸遠些,因此,右邊的球產生的轉動力矩要比左邊的球產生的轉動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著箭頭所指的方向轉動下去,并且帶動機器轉動。這個設計被不少人以不同的形式復制出來,但從未實現不停息的轉動。仔細分析一下就會發現,雖然右邊每個球產生的力矩大,但是球的個數少,左邊每個球產生的力矩雖小,但是球的個數多。于是,輪子不會持續轉動下去而對外做功,只會擺動幾下,便停下來。

    2.達芬奇與永動機

    達芬奇的永動機模型

    文藝復興時期意大利的達·芬奇也造了一個類似的裝置,他設計時認為,右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠些,在兩邊不均衡的作用下會使輪子沿箭頭方向轉動不息,但實驗結果卻是否定的。
    達·芬奇敏銳地由此得出結論:永動機是不可能實現的。事實上,由杠桿平衡原理可知,上面兩個設計中,右邊每個重物施加于輪子的旋轉作用雖然較大,但是重物的個數卻較少。精確的計算可以證明,總會有一個適當的位置,使左右兩側重物施加于輪子的相反方向的旋轉作用(力矩)恰好相等,互相抵消,使輪子達到平衡而靜止下來。

    3.水利與浮力永動機

    浮力永動機

    16世紀70年代,意大利的一位機械師斯特爾又提出了一個永動機的設計方案。斯特爾在設計時認為,由上面水槽流出的水,沖擊水輪轉動,水輪在帶動水磨轉動的同時,通過一組齒輪帶動螺旋汲水器,把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想,整個裝置可以這樣不停地運轉下去,并有效地對外做功。實際上,流回水槽的水越來越少,很快水槽中的水就全部流進了下面的蓄水池,水輪機也就停止了轉動。浮力也是設計永動機的一個好幫手。是一個著名的浮力永動機設計方案。一連串的球,繞在上下兩個輪子上,可以像鏈條那樣轉動。右邊的一些球放在一個盛滿水的容器里。設計者認為,右邊如果沒有那個盛水的容器,左右兩邊的球數相等,鏈條是會平衡的。但是,右邊這些球浸在水里,受到了水的浮力,就會被水推著向上移動,也就帶動整串球繞上下兩個輪子轉動。上面有一個球露出水面。下面就有一個球穿過容器底,補充進來。這樣的永動機也沒有制成,是不是因為要下面的球能夠通過容器底,而又不能讓水漏出來,制造起來技術上有困難呢?技術上的困難并不是主要問題,主要問題還是出在設計的原理上。當下面的球穿過容器底的時候,它和容器底一樣,要承受上面水的壓力,而且是因為在水的最下部,所以它受到的壓力很大。這個向下的壓力,就會抵消上面幾個球所受的浮力,這個水動機也就無法永動了。

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