什么是永动机 永动机真的不能实现吗？

　　永动机的研究历史其实也就是热力学的发展历史，正是由于各种永动机的碰壁才帮助科学家们确立了对热力学定律的信心，而在目前已知的研究领域中，尚未出现这两个定律的反例。(如果有人宣传无限能源的永动机，是真的可以用“你得了诺贝尔奖再说吧”反呛回去的，能够动摇热力学基本定律的研究，若有望成真必须是人类历史上最重要的科学成果之一。)

　　果壳DIY曾经在2011年成功搭建“瀑布永动机”，灵感来自荷兰画家埃在1621年创造的《瀑布》，这是一组以“不可能存在”为主题的系列画作中的一副。

　　认为不可能实现的永动机有两类，分别对应于热力学第一定律和第二定律。第一类永动机试图在不获取能源的前提下使体系持续向外界输出能量，这和热力学第一定律，也就是能量守恒定律相矛盾。第二类永动机试图从单一热源吸取热量使之变为有用功而不产生其他影响，这和热力学第二定律，也就是熵增定律相矛盾。

　　永动机的研究目的非常简明易懂，无限能源意味着一步跨入按需分配的共产主义世界【笑】。最早的时候研究者们希望能够产生可供利用的能量，于是诞生了第一类永动机的设想。后来他们意识到能量是不能被凭空制造出来的，于是将研究目标改为从无处不在的热源汲取热能转为机械功，这在实质上也相当于无限能源，但是进一步的失败也表明单一热源不能无条件转化为机械功，人类可以获取的能源始终受到热力学的限制。

　　这两类永动机被公认为不可能实现，但是既然有定律，就有着和定律擦边的方法，有些动力机具有部分“永动”的特征，它们能够在很长时间里输出能量或是保持运动，但这些能量并不是“免费”和“无限”的。

　　1.内置大量能源的“永动机”

　　既然不获取能源的话不可能持续输出能量，那么在体系内部存储足够的能量，在可用寿命期间保证足够的输出水平实际上也就可以了——这种方法的实例是各种核电池，它们的能量来源归根结底是内部的各种核同位素，虽然长远来看终有用尽的一日，但是可以做到数十年乃至上百年内提供可用的能源输出。

　　二十年不断电的核电池

　　考虑到地球上极大的氢储量，如果我们能够解决普通氢的可控核聚变问题，那么在相当程度上也等于是获取了无限能源的来源。离我们最近的核聚变“永动机”太阳，预计可以提供几十亿年的输出，对短短几千年的人类社会来说，某种程度上算是永动了。

　　2.不输出能量或者输出极小的“永动机”

　　这也是规避能量守恒定律的方法之一。各种行星的运动都可以看作此类，不输出能量，没有能量消耗，按照惯性定律就可以永远运动下去，但可惜这样的机器是没法作为动力机使用的。

　　3.从外界汲取能源的“永动机”

　　常用的动力机其实都是属于这一类，无论是蒸汽机，内燃机，还是燃气轮机，给它持续不断地提供燃料，理想情况下就能不断运动下去。我们的地球从太阳获取光热能，产生风，洋流和生物能，是这种“永动机”的最好例子。虽然失去了太阳的供能这一运动体系就不能维持下去，但这也是以亿年计的时间尺度而言的，人类不用担心地球上的风能和水能会用尽。

　　除了明显需要人为提供能量的动力机，还有一类动力机能够通过巧妙的设计从环境中获取隐藏的能量。卫星上的太阳能电池板，海洋中的潮汐发电机，看起来能够“无中生有”，其实都依赖环境中的光能和潮汐能。今天我们不会把能自动产生用之不竭能量的太阳能电池板加上一个电动马达视作永动机，但是在过去有很多名义上的“永动“设计和真正的永动机设计相提并论。科普作家别莱利曼在近一百年前写作的《趣味物理学》里谈到永动机的时候，就举了很多十八世纪到十九世纪间有趣发明的例子，这些例子包括利用金属、甘油的热胀冷缩的钟表，以及利用气压驱动水银柱升降供能的广场钟。这些动力机的能量来源于大气的温差变化和气压变化，根本上来源于太阳的光照。它们不需要特别供能和照顾，从能源提供的持续性和输出的时长而言， 属于名义上的“永动“。

　　以钟表业和精密机械工业见长的瑞士直到现在也还在生产这类钟表作为贵重礼品，比如利用室温细微变化时氯乙烷的热胀冷缩供能的积家Atoms空气钟，宣称能在1摄氏度温差下获得走时两天的动力，近乎永久地工作下去。由于大多数地方大气的温差变化和气压变化并不剧烈，为了让获得的微小能量能够抵消机械部件的摩擦和能耗，这些钟表需要精密机械领域最高水准的设计和加工。作为代价，和普通电子钟表相比生产它们的厂家很少，组装调试维护也都需要业内专家才能胜任。

　　虽然热力学定律目前看来没有推翻的前景，但人们对永动机不断的探索，也可以说是在定律的禁区之外对热力学认识不断深入，开辟无数条新道路的过程。现代热机的基本循环和热效率的提高都伴随着热力学的指引，虽然无限能源的永动机就像贤者之石一样从未获得，但就像炼金术孵化出了近代化学的基础一样，人们的努力最终在的地方结出了累累硕果。