為啥人們努力900年,還是造不出來永動機,因為它違反了宇宙法則

永動機的想法起源於印度，公元1200年前後，這種思想從印度傳到了伊斯蘭教世界，並從這裡傳到了西方。

在歐洲，早期最著名的一個永動機設計方案是十三世紀時一個叫亨內考的法國人提出來的。如圖所示：輪子中央有一個轉動軸，輪子邊緣安裝著12個可活動的短杆，每個短杆的一端裝有一個鐵球。方案的設計者認為，右邊的球比左邊的球離軸遠些，因此，右邊的球產生的轉動力矩要比左邊的球產生的轉動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著箭頭所指的方向轉動下去，並且帶動機器轉動。

亨內考魔輪的提出激起了人類製造永動機的欲望，在這800年的歷史裡，人類設想的永動機共分為兩類，分別是一類永動機和二類永動機。

一類永動機的嘗試與失敗

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，亨內考魔輪就是屬於第一類永動機。簡單來說，第一類永動機是指某物質循環一周回復到初始狀態，不吸熱而向外放熱或作功的機器。

人類嘗試通過多種方式去製造一類永動機，文藝復興時期義大利的達·文西也造了一個類似的裝置，他設計時認為，右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠些，在兩邊不均衡的作用下會使輪子沿箭頭方向轉動不息，但實驗結果卻是否定的 。當時，達文西就意識到第一類永動機是不可能實現的。

16世紀70年代，義大利的一位機械師斯特爾嘗試利用水力來製造永動機。斯特爾在設計時認為，由上面水槽流出的水，衝擊水輪轉動，水輪在帶動水磨轉動的同時，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。也同樣宣告了失敗。

17、18世紀，人類還是樂此不疲地設計了各種各樣的永動機，但無一成功。這促使人們思考：「是否存在一個普遍規律，無論利用什麼組合和結構，都不能無代價地獲得無窮無盡的可供利用的自然動力。」

1824年,法國青年工程師卡諾就利用「永動機不可能實現的」觀念研究了一種理想熱機的效率,這種熱機的循環過程叫做「卡諾循環」。由此提出了卡諾原理：不可逆熱機的效率總是低於在同樣兩個熱源間工作的可逆熱機的效率，在兩個熱源間工作的一切可逆熱機都具有相同的效率。

由此卡諾成為了帶一個提出熱功轉換的人。

1847年，德國科學家亥姆霍茲發表了著作《論力的守恆》。他提出一切自然現象都應該用中心力相互作用的質點的運動來解釋，由此證明了活力與張力之和對中心力守恆的結論。這個時候熱力學第一定律也就是能量守恆定律已經有了一個模糊的雛形。

亥姆霍茲不僅從理論上表述了能量守恆定律，並且也給出了具有說服力的證據，他擴大了能量守恆定律的應用範圍，使之不僅僅局限於機械能和熱能。他還指出了這一定律的普適性：包括力、熱、電、生理等所有過程都遵守能量守恆定律。

1850年，克勞修斯發表了《論熱的動力和能由此推出的關於熱學本身的定律》的論文。他認為單一的原理即「在一切由熱產生功的情況，有一個和產生功成正比的熱量被消耗掉，反之，通過消耗同樣數量的功也能產生這樣數量的熱。」 加上一個原理即「沒有任何力的消耗或其它變化的情況下，就把任意多的熱量從一個冷體移到熱體，這與熱素的行為相矛盾」來論證。把熱看成是一種狀態量。

由此克勞修斯最後得出熱力學第一定律的解析式：dQ=dU-dW

從1854年起，克勞修斯作了大量工作，努力尋找一種為人們容易接受的證明方法來解釋這條原理。經過重重努力，1860年，能量守恆原理也就是熱力學第一定律開始被人們普遍承認。能量守恆原理表述為一個系統的總能量的改變只能等於傳入或者傳出該系統的能量的多少。總能量為系統的機械能、熱能及除熱能以外的任何內能形式的總和。

1853年，開爾文重新提出了能量的定義。他是這樣說的：「我們把給定狀態中的物質系統的能量表示為：它從這個給定狀態無論以什麼方式過渡到任意一個固定的零態時，在系統外所產生的用機械功單位來量度的各種作用之和。」他還把態函數U稱為內能。直到這時，人們才開始把牛頓的「力」和表徵物質運動的「能量」區別開來，並廣泛使用。

此基礎上，蘇格蘭的物理學家蘭金*（W J M Rankine 1820～1872）才把「力的守恆」原理改稱為「能量守恆」原理。

熱力學第一定律從原理上徹底宣告了第一類永動機的破產，因為永動機違反了能量和質量的守恆定律，在任何的永動機設計中，我們總可以找出一個平衡位置來，在這個位置上，各個力恰好相互抵消掉，不再有任何推動力使它運動。所有永動機必然會在這個平衡位置上靜止下來，變成不動機。

第二類永動機的發展與破產

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。從單一熱源吸熱使之完全變為有用功而不產生其它影響的熱機稱為第二類永動機。

也就是說第一類永動機是不從外界輸入能量，卻能輸出能量。第二類永動機是通過從外界輸入能量來輸出能量，不過這個外界只是一個熱源（關鍵是「一個」，在兩個熱源之間工作的機器太多了，內燃機就是），例如大海或空氣。

好比說，讓海水的溫度降低1攝氏度，把由此放出的熱量完全轉化成機械能。許多科學家認為宇宙中有太多這種超級巨大的熱源了，只要實現了，人類就可以擁有無盡的能量。

英國物理學家開爾文在進行實驗的時候發現了一些奇怪的地方：按照能量守恆定律，熱和功應該是等價的，可是按照卡諾的理論，熱和功並不是完全相同的，因為功可以完全變成熱而不需要任何條件，而熱產生功卻必須伴隨有熱向冷的耗散。

他在1849年的一篇論文中說：「熱的理論需要進行認真改革，必須尋找新的實驗事實。」同時代的克勞修斯也認真研究了這些問題，他敏銳地看到不和諧存在於卡諾理論的內部。他指出卡諾理論中關於熱產生功必須伴隨著熱向冷的傳遞的結論是正確的，而熱的量（即熱質）不發生變化則是不對的。

克勞修斯在1850年發表的論文中提出，在熱的理論中，除了能量守恆定律以外，還必須補充另外一條基本定律：「沒有某種動力的消耗或其他變化，不可能使熱從低溫轉移到高溫。這個定律被稱為熱力學第二定律。而熱力學第二定律則與力學過程的可逆性相矛盾。

克勞修斯在 1854 年的隨筆《關於熱的力學理論的第二基礎定理的一個修正形式》又提出了新的物理量來解釋這種現象，,1865 年正式命名為熵,以符號S表示。

克勞修斯從熱機的效率出發，認識到正轉變（功轉變成熱量）可以自發進行，而負轉變（熱量轉變成功）作為正轉變的逆過程卻不能自發進行。負轉變的發生需要同時有一個正轉變伴隨發生，並且正轉變的能量要大於負轉變，這實際是意味著自然界中的正轉變是無法復原的。

由此克勞修斯提出了熱力學第二定律的又一個表述方式，也被稱為熵增原理，那就是：不可逆熱力過程中熵的微增量總是大於零。在自然過程中，一個孤立系統的總混亂度（即「熵」）不會減小。

簡而言之就是孤立系統的熵永不自動減少，熵在可逆過程中不變，在不可逆過程中增加，可以說非常鮮明地指出了不可逆過程的進行方向。

熱力學第二定律又宣告了第二類永動機的破產。開爾文曾經對熱力學第二定律有過一條精彩的表述：第二類永動機不可能製成！因為熱能不可能完全變化成機械能。但機械能是可以完全轉化成熱能的。例如你攪拌一杯水，最終你輸入的機械能就會完全變成水的熱能，讓水變熱。這說明機械能和熱能是兩種本質上有所不同的能量形式。

所以可以認為機械能是一種高品質的能量，熱能是一種低品質的能量。熱力學第二定律也可以理解為，宇宙的能量守恆，但品質越來越低。

所以為什麼永動機無法成功，因為他違反了宇宙間的自然法則，違反了科學原理，所以它不可能成功，現在還在搞永動機的，基本上都是騙子，為了騙取錢財。不要相信。