物理论文
论第一类永动机
【摘要】永动机是热力学史上人类走过的一条弯路，它的产生有它的特定的历史条件。失之东隅，收之桑榆，人类却也因此而总结出了热力学上两大定律，为人们研究热力学提供了依据并促进了科学的发展。此次本文主要介绍了第一类永动机的发展历史和因此研究出的热力学第一定律。
【关键词】第一类永动机热力学第一定律
永动机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。它的想法起源
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。而第一类永动机
指的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。向下行方向的短杆在重力作用下
会向下落下，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大，而上行
方向的短杆在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不
平衡驱动轮的转动。
后来，15世纪，意大利的著名学者达芬奇也设计了一个相
同原理的类似装置，他认为，右边的球比左边的球离轮心更远
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
结果却是否定的，达芬奇由此得出结论：永动机不可能实现。
除了利用力矩变化的“魔轮”，还有利用水力、浮力等
原理的永动机相继问世。如斯特尔的永动机—著名的利用
水力永动机设计方案。他在设计时认为水从蓄水池里汲到
上面的水槽里，使其冲击水轮使之转动，轮子在带动水磨
的同时，又通过一组齿轮带动螺旋汲水器把水重新提到水
槽里去，设计者认为这样整台机械就可以永不停息的运转
下去。
那时在热力学发展初期，热和机械能的相互转化是人们研究的主题，所以人们致力于研究怎样消耗最少的燃料来获得尽可能多的机械能。甚至还想制造一种不需外界提供能量的机器即第一类永动机。为了解决这个问题，促使人们研究热和机械能的关系问题。迈尔第一个提出了能量守恒定律，而此定律却是在焦耳的实验工作发表以后。
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不适当的处理可后，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。
所以我们可以看到，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。因而热力学第一定律的另一种表述为：“不可能制造出第一类永动机”。其实在所有的永动机设计中，我们总可以找到一个平衡位置来，在这个位置上，各个力恰好相互抵消掉，不再有任何推动力使它运动。所有永动机必然会在这个平衡位置静止下来，变成不动机。而能量守恒定律的确立，也对制造永动机的幻想做了最后的判决。
虽然经过许多人的辛劳，但事实证明他们无一例外地都归于失败，1775年，法国科学家郑重的通过了一项决议，拒绝审理永动机。然而，就是在法国科学院如此明确的警告之下，创造永动机的各种活动仍然未见收敛。19世纪中叶，能量守恒定律已经确立。1861年，英国有一位工程师德尔克斯收集了大量资料，写成一本名为《17、18世纪的永动机》的书，告诫人们，切勿妄想从永恒运动的赐予中获取名声和好运。可是，德尔克斯这部“警世恒言”却未能阻止永动机的继续泛滥，而且进入20世纪，更加复杂，似是而非具有迷惑性的种种设计不断被提出，1917 年美国专利局决定不再受理永动机专利的申请。
在热力学体系建立之前，许多人致力于研究永动机，这些人中既有科学家，也有希望借此成名发财的投机者，而热力学体系建立后，致力于永动机设计的除了希望打破现有科学体系的“民间科学家”外，更多的则是一些借永动机之名牟取钱财的骗子。历史上有名的关于永动机骗局有：王洪成骗局、陈锦文的中华宇宙能源超磁能机车以及在1980年代的巴黎博览会上，曾展出过的一种“永动机装置”等都造成了一定的影响。科学在不断进步，永动机的研究却从来没有停止。中国乃至世界不知有多少民间科学家甚至专家，学者，教授，花费了大量宝贵的时间、金钱、心血来坚持不懈地寻找这样一种不存在的事物，不能不令人扼腕。如在04年，某报刊登了一篇有关无偏二极管有望开辟新的能源出路的文章，引发包括中国科学院院士，学术打假者方舟子等人以及诸多科研人员的批评，引起大家广泛关注。在经过中科院物理所的研究小组研究讨论后，表示并不认同徐所提出的猜想，解释以及推论，表示不符合现有物理规律，并不能作为能量的来源。客观看来解释未免有点牵强，我们不敢苟同他的解释，只希望科学的发展能够带来一个更加合理的解释。
其发明多次在国外获奖的张开逊先生曾经在国内首次提倡“让公众理解科学”，他说，在历史上，永动机开始并不是骗术，它源自人类对能源的渴求。确实，古代的人们有三种渴求：长生不老、永不枯竭的能源和取之不尽的财富。于是出现了：炼制长生不老药、造永动机和点石成金。然而这三件事至今没有完成，但并不是毫无价值。炼丹时方明了火药、炼金术导致了现代化学的产生、对永动机的追求使人们发现了热力学第一定律以及斯台文的两个斜面上力量平衡的定律，进而奠定了现代物理学的基础。
所以，我们应该明白，对一些完全错误的理论和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，其次，我们要根据科学规律办事，历
史上追求永动机的人们，并不是因为他们没有一种良好的愿望，也不是他们缺乏刻苦钻研的精神，只是由于他们做的是违背客观规律的工作。在人们还没有认识能量传递和转化的规律之前，对那些寻求永动机的努力遭到的失败，我们只能感到遗憾，但是，如果在今天还有人去设计永动机，那他就是愚蠢的，是违反科学规律的，也是永远不会成功的。所以人类利用自然，必须要懂得遵守自然规律,否则只是徒劳无功罢了。
但是我们同样要明白：科学规律固然是好的，但是以前的的科学家，不是在别人的质疑与阻力下来找到发现伟大的科学吗?所以我们应该对自己宽容一点，对别人更加宽容一点，毕竟我们都只是井底之蛙，谁又能说真正的了解了我们共同的母亲（地球）
【参考文献】
1、《物理学史》郭奕玲、沈慧君著，清华大学出版社，2000年版。
2、《热学》，常树人编著，南开大学出版社，2001年版。