永动机：为什么不可能被制造，但大自然却存在？

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大家好，我是舒宜昂。今天我们来聊一聊永动机。（文章最后有我个人对文章重点的总结，赶时间的话可以直接跳到最后面看总结。）

相信大家从小就听说过永动机，并且知道永动机是不可能被制造出来的。不过，这里还是再介绍一下。永动机是指不需要外界能量输入或者只给一个初始能量就可以永远不停做功获取能量的机械装置。

人们为什么会想要制造永动机呢？原因很简单。如果不用自己动手还不用消耗其他能源，就可以源源不断地获取能源，何乐而不为？毕竟能源是人类之间争夺和战争的最重要原因。如果永动机是可以被发明的，相信现在的世界将会和平得多，人类的生活质量也将上升好几个档次。

也就是因为永动机带给人的巨大吸引力，在明明知道永动机不可能被制作出来的情况下，仍有人前赴后继地加入永动机发明的行列。永动机的思想在公元1200年左右起源于印度，被传到西方后，西方就不断有人提出永动机的制作方案，直到今天仍然有人在设想制造永动机。并且各种大人物都曾设计过永动机，比如达·芬奇、焦尔。这些永动机的制作失败，倒也不是白白浪费，反而是推进了科学发展进步，让人们逐渐认识到了自然界的客观规律。

热力学两大定律就是为了证明永动机为何会失败而提出来的。永动机上的失败和制作永动机的思想，启发着人们用更少的能量、更容易获取的能量，去获得更多能源。所以不亏！

根据永动机失败的原因，永动机分为两类。这两类分别对应着热力学第一和第二定律。根据这两大热力学定律，让我们来分析一下为什么永动机是不可能被制造出来的。

热力学第一定律也就是能量守恒和转化定律。物体或者是体系内，能量之间转化和传递，肯定是保持不变的，有增加就一定有减少。

大部分第一类永动机虽然是利用大自然中已经存在的能量，也就是浮力、惯性、电磁力等力学能量来达到机械装置永远做功，但这些永动机仍是存在于一个体系、一个环境内，也就是体系内的能量总和不变。

第一永动机最主要的目的就是创造能量，如果只是能量之间转化，在某个平衡点，能量肯定会被转化完，力肯定会被互相抵消，那么机械装置就会停下来。所以在根本上就已经决定了第一类永动机的失败。

当已经非常明确能量不能被创造，第一类永动机不能被制造，人们就开始转换思路。不能创造能量，那就使用一种取之不竭的热量（比如从大气和海洋中获取）来当作单一的能源，从而完全转化为其他能量。这种思路下所制造的永动机则被称为第二类永动机。

热力学第二定律有两种等价的表述方式：热量不能自发从低温物体流向高温物体而不引起其他变化。/不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。也就是我们之前文章所提到的熵增原理，没有外部力量、能量的情况下，能量混乱程度会增大，不能全部都成为有用的能量。

也就是说单一能源想要完全转化是不可能的，不就是会消耗，不就是需要别的能量助力。很多时候所谓的永动机看似能成功，只是我们被迷惑，没有弄清真正的能源。冷静仔细理清保持运作的能量来源，你就会发现能量来源并不止一种，并不符合第二类永动机的定义。

早在1775年，法兰西科学院就非常郑重地通过一项决议，永远不接受永动机的申请。其解释为：建造永动机是绝对不可能的，即便是中间的摩擦和阻力最终不至于破坏原来的动力，这个动力也不可能产生等同于原来的效果；再如设想动力可以连续起作用，在一定时间之内，其效果也会是无限变小的。假如摩擦和阻力减少，初始的运动往往可能得以继续，但它却不能对其他物体作用。在这种假设（自然界不可能存在）中，唯一可能的永恒运动对实现永动机建造者的目的是毫无用处的。这些研究的缺点是费用极其昂贵，不止毁了一个家庭，本来可以为公众提供大量服务的技术人员，往往为此浪费了他们的工具、时间和聪明才智。

永动机的错在于理想化了能源的获取和能量的损失。我们只有可能减少作用力的消耗，让物体可以运动得更久，但不可能消除力的消耗，让物体永远一直运动下去。大部分的永动机都是需要人为给予一个初始力，这一点就已经是错误了。

比如指尖陀螺，我们只需要轻轻一个力就可以让它转起来。相同的力量，不同的指尖陀螺旋转的时长不同，这取决于指尖陀螺的材质、重量、大小和轴承的好坏。但设计得再完美，也都不可能一直转下去。因为除了轴承中因为摩擦的能量消耗外，还有空气阻力等其他微小不容易被察觉的能量损失。

其实像“永远”、“完全”这样绝对的字眼，在大部分时候和其他的事物上也都是行不通的。不过我们的宇宙和我们的世间万物是一个“凡事没有绝对”的存在。很多很多事物都只是我们还未知晓真相，或者所观察的角度不同，所以才给出了绝对的定论。

不过最多的操作是忽略那些极小部分的不一样，让绝大多数称为“绝对”。所以永动机也并不能说绝对没有。比如时间晶体，虽然其原子不断在运动，但却没有能量被转移，不会消耗任何能量，也符合能量守恒定律。再比如整个宇宙不停地运转。这些“永动机”我们到现在都还没弄懂到底为什么永动。

有人提出说太阳光才是最容易被获取的能量，那为什么不能利用太阳光来制作永动机呢？太阳光确实是一个取之不竭最好的能源，但是缺点也还是挺多的，地球上无法保持持续接受太阳光，因为有白天黑夜，同时太阳光的强度也是会变的。并且太阳光的利用率没有那么理想，制作吸收太阳能的材料也非常昂贵，还容易损坏。所以用太阳光来制作永动机，没有一点是可以符合永动机的定义。

个人觉得是重点的总结：

1. 永动机是指不需要外界能量输入或者只给一个初始能量就可以永远不停做功获取能量的机械装置。为了可以不费力气获得最重要的能源，人类不断投入永动机的制作。

2. 永动机的制作虽然没有成功，却推动了科学的发展和人们对大自然客观规律的认识。

3. 第一类永动机不符合能量守恒定律，因为无法凭空创造出能量，根本上就已经错误。体系内的能量总会有一个转化的平衡点存在，各种力互相抵消。

4. 第二类永动机不符合热力学第二定律。单一能源不能在没有外力下完全转变为有用的能量。看似成功的永动机都是非单一能源或是不能完全转变。

5. 永动机的错在于理想化了能源的获取和能量的损失。我们可以减少作用力的消耗，但不能消除。

6. 在我们这个“凡事无绝对”的宇宙中，还有时间晶体和宇宙本身这样的永动机存在，我们并不知道原理。

7. 太阳光虽然是最容易被获取的能量，但是有太多的缺点，所以不能利用太阳光来制造永动机。我是舒宜昂，希望你喜欢，欢迎留言讨论，谢谢观看！