牛頓曾經研究過永動機,那永動機究竟是什麼?有哪些人曾經著迷過嗎?有沒有人研究出接近永動的機器嗎?永動機設計的原理及關鍵點在哪裡?

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在〈【教學網誌015號】銀河系大定位:永動機★gs18-一二四組專屬任務★〉中有 8 則留言

  1. 永動機是一類想像中的不需外界輸入能源、能量或在僅有一個熱源的條件下便能夠不斷運動並且對外做功的機械。歷史上人們曾經熱衷於研製各種類型的永動機,其中包括達文西、焦耳這樣的學術大家,另外包括一些希望以永動機出名和獲利的騙子。在熱力學體系建立後,人們通過嚴謹的邏輯,證明了永動機是違反熱力學基本原理的設想,從此之後就少有永動機的研究者了。不過從一個側面也可以認為,人類對永動機的熱情以及製造永動機的種種實踐,推動了熱力學體系的建立和機械製造技術的進步。

  2. 從熱力學的學理上來看永動機械有兩類,第一類是幻想有一種不需要任何動力和燃料,而能不斷對外作功(work)的機器,也就是「無中生有」;第二類永動機械則是幻想從單一和均勻的熱源,如海水和大氣中不斷吸取熱量全部轉化為功,而且沒有任何其他的變化發生。前者顯然違反了我們所熟知的熱力學第一定律,即所謂能量守恆的道理;因為如果能量能夠無中生有,那地球上的能量豈不越來越多?這將導致溫度無限升高,人類將無法生存。而後者雖不違反熱力學第一定律,但卻違反了熱力學第二定律,也就是說任何裝置,除了作功以外一定尚有其它效應,也就是想要創造出不需輸入功的冷凍機把低溫能量移往高溫處是不可能的。
    13世紀法國人亨內考提出一個「魔輪」之設計。他在一個輪子的邊緣上等距地安裝12根活動短桿,桿端分別套上一個重球。無論輪子轉到什麼位置,右邊的各個重球總比左邊的各個重球離軸心更遠一些。亨內考設想,由於右邊更大的作用力,特別是因甩過去的重球作用在離軸較遠的距離上,就會迫使輪子按照箭頭所示的方向永不停息地旋轉下去,至少要轉到輪軸磨壞時為止。但是,實際上輪子轉動一兩圈後就停了下來。因在魔輪設計中,右邊每個重物施加於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於輪子的相反方向的旋轉作用恰好相等,互相抵消,使輪子達到平衡而靜止下來。
    在1570年代,義大利的斯特爾利用流水落差來驅動之永動機械概念。他認為由上面水槽流出的水,衝擊水輪轉動,水輪在帶動輪軸轉動的同時,通過一組齒輪帶動螺旋汲水器,把蓄水池裡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,並有效地對外作功。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。大家仔細想想,這過程中忽略了摩擦及重力之效應,這也是為什麼流回水槽之水會愈來愈少之原因了。
    再看一個利用浮力來設計永動機械的例子。這是將一連串的球,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裡。原先之構想是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。現在將右邊這些球浸在水裡,因此受到了水浮力之作用,使左右兩邊向下之作用力大小不同,故使右邊之球被水推著向上移動,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。這樣之機制看起來似乎也是合理的,但為什麼又是無法實現呢?是因為製造技術上之困難無法使球通過容器底部而又不漏水嗎?我們假設,製造技術可以克服,然後再想想設計這種機制的原理。一個明顯的原因即是,當下面的球穿過容器底部的時候,它要承受其上面水的壓力,而且是因為在水的最下部,所以它受到水的壓力最大。這個向下的壓力,就會抵消上面幾個球所受的浮力,而使左右兩邊所受之力量又達平衡階段,因此這個永動機械也就無法永動了。
    從熱力學第一及第二定律中說明這二類永動機械不可行,很多人認為,從宇宙觀點來看,天體之運行;乃至從微觀上來看,電子繞核旋轉,都是永動的事實。那麼人類生活之周遭應該有同樣效果,也就是說採用彎曲的力場應該能推動現實世界的永動機械。很多熱衷永動機械的研究者就認為,第一二類永動機械雖然失敗了,但採用彎曲的力場,使用永磁性的第三類永動機械(彎曲力場永動機械)有可能成功,因為它不違反熱力學第一及第二定律。
    要解答這個迷思,我們先從磁極所產生之磁場來看,電流的磁場是只有一個方向的閉合曲線,而磁鐵的磁場是兩個方向相反的組合閉合曲線。當環狀磁鐵被電磁場磁化後,磁鐵便形成了兩個方向的磁場,磁鐵的內部和外部的磁力線都形成了環狀閉合曲線,但由於兩者方向相反,所以相互抵消。也就是說彎曲力場方向相反,強度相同,閉合後效果為零。就因為這是利用彎曲力場創造永動機械的內在機制,因此可以斷言此類永動機械是不會成功的。也就是說彎曲的力場具有封閉特性,如果永動,就不會提供能量,如果提供能量,就不能永動。電子能夠繞核永動,因為它不必提供能量。
    永動和永動機械不同的概念需適度區分。永動機械不僅要自動,而且要創造能量。因此天體之運行,電子繞核旋轉,雖是永動的事實,但卻都無法從中提取能量,所以都不是永動機械。地球之永續發展及留給後代一個乾淨環境,是我們無法推卸的責任,然而免費能源是理想,可惜也只是個幻想而已。讓我們一起來正視一下我們的環境,追求高效率之設備,以節約能源來提高能源之有效利用率;同時廣泛推廣太陽能、風力能等淨潔能源之使用,以透過減少化石燃料之使用來達成二氧化碳減量之目的。

  3. 永動機是一類想像中的不需外界輸入能源、能量或在僅有一個熱源的條件下便能夠不斷運動並且對外做功的機械。歷史上人們曾經熱衷於研製各種類型的永動機,其中包括達文西、焦耳這樣的學術大家,另外包括一些希望以永動機出名和獲利的騙子。在熱力學體系建立後,人們通過嚴謹的邏輯證明了永動機是違反熱力學基本原理的設想,從此之後就少有永動機的研究者了。不過從一個側面也可以認為,人類對永動機的熱情以及製造永動機的種種實踐,推動了熱力學體系的建立和機械製造技術的進步。
    1775年法國巴黎科學院通過決議,宣佈永不接受永動機,現在美國專利與商標局嚴禁將專利證書授予永動機類申請,而永動機這個名詞現在更多地作為一種修辭被用來描述那些充滿活力,不知疲倦的人。
    第一類永動機
    魔輪:右側重垂在重力作用下遠離轉動軸,力矩隨之增大,驅動魔輪轉動,但由於左側重垂數量更多,平衡了系統力矩,永動無法實現第一類永動機是最古老的永動機概念,這一類永動機試圖以機械的手段在不獲取能源的前提下使體系持續地向外界輸出能量。歷史上最著名的第一類永動機是法國人亨內考在十三世紀提出的「魔輪」,魔輪通過安放在轉輪上一系列可動的懸臂實現永動,向下行方向的懸臂在重力作用下會向下落下,遠離轉輪中心,使得下行方向力矩加大,而上行方向的懸臂在重力作用下靠近轉輪中心,力矩減小,力矩的不平衡驅動魔輪的轉動。十五世紀,著名學者達文西也曾經設計了一個相同原理的類似裝置,1667年曾有人將達文西的設計付諸實踐,製造了一部直徑5米的龐大機械,但是這些裝置經過試驗均以失敗告終。
    除了利用力矩變化的魔輪,還有利用浮力、水力等原理的永動機問世,但是經過試驗,已確認這些永動機方案失敗或僅只是騙局,無一成功。
    1842年荷蘭科學家邁爾提出能量守恆和轉化定律;1843年英國科學家詹姆斯·焦耳提出熱力學第一定律,他們從理論上證明了能夠憑空製造能量的第一類永動機是不能實現的。熱力學第一定律的表述方式之一就是:第一類永動機不可能實現。
    第二類永動機
    在熱力學第一定律問世後,人們認識到能量是不能被憑空製造出來的,於是有人提出,設計一類裝置,從海洋、大氣乃至宇宙中吸取熱能,並將這些熱能作為驅動永動機轉動和功輸出的源頭,這就是第二類永動機。
    歷史上首個成型的第二類永動機裝置是1881年美國人約翰·嘎姆吉為美國海軍設計的零發動機,這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化,推動機械運轉。但是這一裝置無法持續運轉,因為汽化後的液氨在沒有低溫熱源存在的條件下無法重新液化,因而不能完成循環。
    1820年代法國工程師卡諾設計了一種工作於兩個熱源之間的理想熱機——卡諾熱機,卡諾熱機從理論上證明了熱機的工作效率與兩個熱源的溫差相關。德國人克勞修斯和英國人開爾文在研究了卡諾循環和熱力學第一定律後,提出了熱力學第二定律。這一定律指出:不可能從單一熱源吸取熱量,使之完全變為有用功而不產生其他影響。熱力學第二定律的提出宣判了第二類永動機的死刑,而這一定律的表述方式之一就是:第二類永動機不可能實現。
    永動機騙局
    歷史上曾經無數人痴迷於永動機的設計和製造,在熱力學體系建立之前,這些人中即有科學家,也有希望藉此成名發財的投機者,而熱力學體系建立後,致力於永動機設計的除了希望打破現有科學體系的「民間科學家」外,更多的則是一些借永動機之名牟取錢財的騙子。
    歷史上著名的永動機騙局有:
    自動輪騙局:1714年,德國人奧爾菲留斯聲稱發明了一部名為自動輪的永動機,這部機器每分鐘旋轉六十轉,並能夠將16公斤的物體提高相當的高度,當他宣佈了這一消息並進行了公開實驗後,名噪整個德國。1717年一位來自波蘭的州長在驗看了安放自動輪的房間後,派軍隊把守這座房屋,40天他發現自動輪仍在轉動,便給奧爾菲留斯頒發了鑒定證書。奧爾菲留斯靠展出自動輪獲取了大量金錢,俄國沙皇彼得一世甚至與他達成價值10萬盧布的購買協議。最終由於奧爾菲留斯的太太與女僕發生爭執,女僕憤而曝光,原來自動輪是依靠隱藏在房間夾壁牆中的女僕牽動纜繩運轉的,整個事件是一個騙局。
    王洪成騙局:中國哈爾濱人王洪成曾在1984年提出一個永動機方案,他利用他設計的永動機驅動自家的洗衣機、電扇等裝置運轉,不久騙局被揭穿,他製作的永動機模型是用隱藏的鈕扣電池驅動的一個電動馬達,而供應洗衣機、電扇運轉的則是暗藏在地下的電線。1998年,王洪成的另一個騙局「水變油」被揭穿,他本人也因此入獄。
    另外在1980年代的巴黎博覽會上,曾展出過一種”永動機裝置”:這個裝置是一個不停轉動的大輪子,參觀博覽會的觀眾對這架永動機非常好奇,紛紛逆旋轉方向推動輪盤,以期阻止輪子的轉動。這個永動裝置的設計者正是利用了觀眾的好奇心,讓他們向後轉動輪盤的動作為永動機上緊發條,維持裝置的運轉。
    此外,前國民黨軍隊第12兵團司令官黃維,1948年在國共內戰的徐蚌會戰被俘之後,送至功德林戰犯管理所接受「改造」,至1975年釋放期間,他不顧眾人異議,在所內潛心研製永動機,十分有名。最後當然仍以失敗告終。

  4. 永動機是一類想像中的不需外界輸入能源、能量或在僅有一個熱源的條件下便能夠不斷運動並且對外做功的機械。歷史上人們曾經熱衷於研製各種類型的永動機,其中包括達文西、焦耳這樣的學術大家,另外包括一些希望以永動機出名和獲利的騙子。在熱力學體系建立後,人們通過嚴謹的邏輯證明了永動機是違反熱力學基本原理的設想,從此之後就少有永動機的研究者了。不過從一個側面也可以認為,人類對永動機的熱情以及製造永動機的種種實踐,推動了熱力學體系的建立和機械製造技術的進步。

    http://tw.myblog.yahoo.com/jw!gfF5gRmaQE5oQtPhRc1MyCLDsQ–/article?mid=581

  5. 永動機是一類想像中的不需外界輸入能源、能量或在僅有一個熱源的條件下便能夠不斷運動並且對外做功的機械。歷史上人們曾經熱衷於研製各種類型的永動機,其中包括達文西、焦耳這樣的學術大家,另外包括一些希望以永動機出名和獲利的騙子。在熱力學體系建立後,人們通過嚴謹的邏輯證明了永動機是違反熱力學基本原理的設想,從此之後就少有永動機的研究者了。不過從一個側面也可以認為,人類對永動機的熱情以及製造永動機的種種實踐,推動了熱力學體系的建立和機械製造技術的進步。
    http://tw.myblog.yahoo.com/jw!gfF5gRmaQE5oQtPhRc1MyCLDsQ–/article?mid=581

  6. 永動機﹙Perpetual motion mechines﹚或是低成本無污染的能原一直是人類共同的夢想,雖然永動機違反了熱力學的基本定律,四百年來仍有人不斷的嘗試並宣稱成功的製造出永動機,但是結果都一再證明熱力學的定律的正確性,美國專利局因為不堪這類申請案件的煩惱,早在1911年即判定任何有關永動機專利的申請都必須要有實際的機器運轉一年以上,方得向該局提出專利的要求。
    永動機指的是不用施加能量,就能夠一直「動」不停的機器,精確一點的定義就是「對外做功大於吸收功」的系統。假設質能守恆定律還算是對的,那麼不論怎樣,輸出的功都不可能超過輸入的功,這也是熱力學定律推導出來的必然結果,因此,永動機斷不可行。但如果假設質能守恆是錯誤的話永動機就是有可能產生的夢想,但是…如果真的這樣的話,現在的物理界恐怕會產生世界性的顛覆,如果有哪天真有人做的出來,它的貢獻一定比愛因斯坦還要更偉大!
    http://tw.knowledge.yahoo.com/question/?qid=1607080508573
    http://scc.bookzone.com.tw/sccc/article.asp?ser=115
    我找了兩個網站

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