永動機
永動機是指不需外界輸入能源、能量或在僅有一個熱源的條件下便能夠不斷運作的機械。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、焦耳等學術大師[1][2]。在熱力學體系建立後，學界認定永動機相悖於熱力學基本原理的設想，將其從正統學術界中排除[3][4][5][6]，但人們追尋永動機的研究始終未曾間斷。然而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年法國科學院通過決議，宣佈永不接受永動機[7]。現在美國專利及商標局嚴禁將專利證書授予永動機類的申請[8]。
2017年證實時間晶體的存在，其原子運動無需任何外界能量來維持，符合「永動」的字面定義，但其能量在加入額外的能量前不可能被利用。如果時間晶體的熵不夠高，晶體可能會四散成粒子，因為後者才有更高的熵值，雖然這可能需要很久的時間[9]。
第一類永動機
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方式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，學者達文西也曾經設計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[10]。
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·加姆吉為美國海軍設計的零發動機（Zeromoter），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年代法國工程師尼古拉·卡諾設計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熱機的工作效率與兩個熱源的溫差相關。德國人魯道夫·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第二類永動機的無效，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
歷史上曾經有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，這些人中既有科學家，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以下：
- 自動輪騙局：1714年時，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，在他宣佈這消息並進行公開實驗後，名噪整個德國。1717年一位來自波蘭的州長在驗看安放自動輪的房間後，派軍隊把守這座房屋，40天後他發現自動輪仍在轉動，便給奧爾菲留斯頒發了鑑定證書。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。
- 1860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阻止輪子的轉動；然而這個永動裝置的設計者正利用了觀眾的好奇心，藉由他們向後轉動輪盤的動作替永動機上緊發條以維持裝置的運轉。[11]
相關條目
參考文獻
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- ^ Derry, Gregory N. What Science Is and How It Works. Princeton University Press. 2002-03-04: 167 [2020-03-12]. ISBN 978-1400823116. （原始內容存檔於2021-10-03）.
- ^ Roy, Bimalendu Narayan. Fundamentals of Classical and Statistical Thermodynamics. John Wiley & Sons. 2002: 58 [2020-03-12]. Bibcode:2002fcst.book.....N. ISBN 978-0470843130. （原始內容存檔於2020-04-21）.
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外部連結
- 永動機永不休？（中國教育和科研計算機網）
- 永動機和熱力學基本定律（北京科普網）