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很多人都說， 永動機是不可能存在的， 它不符合物理定律。
可為什麽我們看到的世界， 大到宇宙天體，小到物體分子，都在不停地運動著呢？
第一代永動機
永動機並不是某種機器的專有名，而是一種產生在人們腦袋裏的想法。
這種想法 最先在印度人腦子裏出現 ，到公元1200年，一群伊斯蘭教跋山涉水，將這種想法傳到了歐洲。
當時歐洲的法國，有位叫亨內考的人，覺得這種想法很新奇，於是試著研究出一款真正的永動機。
根據他留下的圖紙來看，這款永動機十分的簡單，一個可以捲動的輪子，上面均勻連線著可以擺動的小棍，棍上分別裝上重物。
結構簡單，原理也很簡單，靠著齒輪對連線桿的支撐，使輪兩邊的球離圓心不等，左邊離得近，右邊離得遠。
離圓心近這邊，力矩就要小些，離得遠這邊，力矩就要大些。 小大交替，輪子就能不停地轉動。
想法很精妙，但他忽略了一個問題，由於連線桿的擺動，導致 兩邊小球無法均勻的分布 ，盡管力矩大小有差距，但是小球的密度彌補了這一差距。
比如左側小球力矩小，但密集的小球可能帶來更多的重量，右側同理，因為小球稀疏，重量變小。
小球的重量差異，均衡了力矩的大小差異，這樣一直運動， 總能在某一時刻達到平衡，從而停止轉動。
亨內考的永動機顯然是失敗了。
到文藝復興時期，藝術家達芬奇也設計了一款永動機，原理跟亨內考的類似，同樣都是一個轉動的輪子，上面放小球。
只是這些小球不是用小棍連線，而是 直接在輪子上做出可以捲動的軌域 。
達芬奇的永動機，同樣是讓小球運動來產生不同的力矩，換湯不換藥，毫無疑問，還是以失敗告終。
不過達芬奇誌不在研制出永動機，而是驗證永動機是否可行，所以實驗結束後，在手稿上留下一句話：
「對於任何運動，總存在反向、等大的反力。」
學過牛頓第三定律的人，會覺得這句話有些熟悉，因為牛頓第三定律是這樣說的：
「相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。」
顯然，對於物體之間兩股力的平衡，兩人看法一致。
牛頓第三定律是對永動機的迎頭痛擊，但真正將永動機殺死的，是 熱力學第一定律 。
熱力學第一定律，不像牛頓第三定律一樣用人名來命名，說明這不是一個人的功勞。
來自德國的邁爾醫生，就是其中的一位功臣。
1840年，邁爾醫生跟著一支船隊，一路從德國來到印尼，剛登上這片陌生大陸，很多船員身體出了問題。
當時救人最常用的手段就是放血 ，邁爾為病人放血後，發現他們的血太過顯鮮艷，與正常人帶點黑色的血有些不一樣。
經過一番研究，邁爾發現是因為血液中的氧含量高了，所以才會這麽紅。
他因此得出結論， 印尼太熱，人不再需要更多熱量，氧沒了用武之地，就被保存在血液裏。
想到這裏，他又開始思索，人體熱量來自哪裏，食物，食物的熱量又來自哪裏……
經過一系列聯想，邁爾得出了結論， 能量不會無故產生或消失，而是在做轉換。
3年後，另一位著名的物理學家焦耳，經過大量計算後，得出來熱功當量為428.9千克.米/千卡，得出更進一步研究成果。
兩人的觀點經過許多物理學家的驗證，最終形成了熱力學第一定律：
「熱可以轉變為功,功也可以轉變為熱;消耗一定的功必產生一定的熱,一定的熱消失時,也必產生一定的功。」
根據這一定律，德國物理學家亥姆霍茲提出能量具有守恒性，既不能憑空產生，也不會憑空消失。
這一能力守恒定理，成了永動機無法實作的枷鎖。
第二第三永動機
在熱力學第一定律限制永動機後，人們又提出了新的永動機概念，尋求自然能源的幫助。
就這樣，永動機2.0版本上新了。
19世紀70-80年代，一位名為加吉的發明家，經過多年研究設計出新的永動機。
他的設計很簡單，將一個有大容量的液氨容器裝在輪船上，之後空氣的熱量會使 液氨氣化 ，這些膨脹的氨氣會 推動活塞做工 。
之後，這些氨氣會進入到 冷卻管 裏，熱量被海水吸收， 再次變成液態的氨 。如此迴圈往復，就能永遠運轉下去。
這個設計有個明顯的缺陷， 氨氣需要在-33℃的環境中，才能再度變為液氨 ，一般的海水顯然達不到這樣的要求。
如果是放入到-33℃的冰塊裏，周圍的空氣又無法達到氣化的要求。
其實，早在幾十年前，一位叫卡諾的法國科學家提出的卡諾定理，就證明了他的做法無法成功。
在卡諾定理裏，理想熱機的熱效率是：
η=1-T2/T1 (1)
η為熱機效率，T2表示低溫熱源，T1表示高溫熱源（絕對溫度）。
按照公式，只有同時具備高溫與低溫，從而產生溫差，熱機熱效率才能輸出。
卡諾死後，名叫克拉貝隆的科學家，看了卡諾定理後，進一步建立了一個理想的氣體狀態方程式：
PV=nRT (2)
P表示氣體壓強，V表示體積，n表示摩爾數，R為摩爾氣體常數，T為絕對溫度。
這一發方程式為熱力學分析奠定了基礎。
到1850年，一位叫做克勞修斯的科學家研究克拉貝隆的成果，認為卡諾定律想要實作，就必須滿足一個條件：
「不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。」
這也就是著名的熱力學第二定律，之後克勞修斯進一步提出：
「系統溫度越高，分子運動越亂，熵值越高，反之，熵值越低。」
也因此，熱力學第二定律被稱為 熵增定律。
熱力學第二定律的出現，徹底將第二代永動機給抹殺。
不過，人們還是沒有就此放棄，之後又提出了永動機3.0 版本，這種機器熱效率高達100%，根本沒有任何熱量損失。
但1912年，德國化學家恩斯特指出，無論做怎樣的努力，都不能讓等溫線變成0，也就是說， 絕對零度是不可能達到的。
接著有一位叫普朗克的科學家做出補充，熵在絕對零度時，都為0。
最後一位叫華瑟·能斯特的科學家進行歸納總結，得出來 熱力學第三定律 ：
「絕對零度不可達到，即任何物質的熵在絕對零度時趨於一個定值，對於完整晶體，這個定值為零。」
熱力學第三定律的出現，也徹底否定了永動機存在的可能性。
萬物在動，為何不能稱為永動
1826年，一位名為布朗的植物學家，透過顯微鏡觀察花粉，發現它們在做著 無規則的運動， 首次揭開了微觀世界的運動之謎。
可見，那些 我們看起來靜止的物體，其實都在做著運動。
這些看起來不動的物體有兩種，一種是大到察覺不到它的運動，比如說地球的自轉。
另一種是小到忽略了他們的運動，比如分子。
我們雖然看不見分子的運動，但我們周圍的氣體，液體和固體分子，無時無刻不在運動。
氣體的分子因為間隙較大，分子間作用力較小，所以流動性很強，能夠上下左右運動。
液體方分子間隙就比空氣小很多，分子運動受重力斥力的影響，只能在一個平面運動，不能飛上飛下。
固體分子間隙小於液體分子間的作用力更大，所以只能在固定的位置做無規則運動。
總之，無論是巨大的星球，還是小小的分子，無論是流動的風，還是靜止的板磚，都在不停地運動。
「不停」加上「運動」，不就是永動嗎？ 那你和我，以及這世間萬物，都是一個永動機？
如果這樣想，就是對永動機的誤解。
從前面所說的，永動機被提出，接著被熱力學第一、第二、第三定律否決，我們得出結論，所謂的永動，並不是指它永遠在動，而是 永遠在做功 。
有了這樣的觀點，容易理解為什麽在不停運動的分子，不算永動機了。
因為 分子在運動時，也是需要吸收能量的 ，不能在沒有任何外部因素參與的情況下運動。
想讓分子停止運動，就需要達到絕對零度，而世界上任何有溫度的物體，都高於絕對零度，所以它們能一直運動。
可見，關於永動機不存在的觀點，其實一直屹立不倒的，一些認為能挑戰權威的人，其實只是誤解了其中的含義，並不是從科學上將它打倒。
參考資料：
[1] 【永動機與熱力學定律】湃客：返樸 撰文 | 張偉偉2021-04-21
[2] 【科學家告訴我們永動機不存在，但分子為何不停地做無規則運動？】宇宙怪談2024-02-07
