不可能实现的永动机-中国科学技术大学

第一篇：不可能实现的永动机-中国科学技术大学

不可能实现的永动机

记得上初中的时候曾经看过一本书名叫《趣味物理学》，非常的有趣，在看完了全书之后，我对其中的一个介绍永动机的章节产生了浓厚的兴趣。由于当时还没怎么学过物理，对热力学第一第二定律一无所知，幼稚而又天真的我整天就想设计一台永动机。为此我满怀激情的进行了一系列现在看来极为可笑的设计，结果不用说，根本设计不出一台符合要求的所谓的永动机。后来学了一些物理，知道永动机是无法实现的。但我觉得这也在从另一个方面促进了我对物理学的认识和理解。我也从中感觉到对一些错误命题的深入研究能促进学术本身的向前。纵观物理学的发展乃至整个人类社会的进步又何尝不是如此呢？故此我认为我们没必要回避永动机这个话题。要知道，有些著名命题的提出都和永动机的研究有关，一些著名的物理学家都研究过永动机，还有很多亲自设计过永动机方案。每一种全新概念永动机的提出往往会带来很多新的发现，而每一次对之否定的过程，又会加深人们对物理学某些领域的认识。而人们在追求不耗能的完美装置的同时，又不经意的设计了许多极其精妙的高效机械，带来技术的革新。

说了这么多，我们不妨来看一些历史上经典的而又富有代表性永动机设计。再由此做出一些分析。凭我们目前所学的知识，我想已经足够推翻大师们的“经典”之作了

文艺复兴时期意大利的达·芬奇造了一个永动机装置。他设计时认为，右边的重球比左边的重球离轮心更远些，在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息。事实上，由杠杆平衡原理可知，右边每个重物施加于轮子的旋转作用虽然较大，但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明，总会有一个适当的位置，使左右两侧重物施加于轮子的相反方向的旋转作用（力矩）恰好相等，互相抵消，使轮子达到平衡而静止下来。

十九世纪发现电、磁等新的自然力，有人又想把它组成最新式永动机。结果也是徒劳的，一无所获。

首先浮力成为考虑的热点。一个著名的浮力永动机设计方案是：一连串的球，绕在上下两个轮子上，可以像链条那样转动。右边的一些球放在一个盛满水的容器里。设计者认为，右边如果没有那个盛水的容器，左右两边的球数相等，链条是会平衡的。但是，现在右边这些球浸在水里，受到了水的浮力，就会被水推着向上移动，也就带动整串球绕上下两个轮子转动。上面有一个球露出水面。下面就有一个球穿过容器底，补充进来。这样的永动机也没有制成，是不是因为要下面的球能够通过容器底，而又不能让水漏出来，制造起来技术上有困难呢？技术上的困难并不是主要问题，主要问题还是出在设计的原理上。当下面的球穿过容器底的时候，它和容器底一样，要承受上面水的压力，而且是因为在水的最下部，所以它受到的压力很大。这个向下的压力，就会抵消上面几个球所受的浮力，这个水动机也就无法永动了。

后来，磁力也曾经扮演过不小的角色。下面的这种磁力“永动机”，是17世纪的英国人约翰·维尔金斯（捷斯特城的主教）设计的。

在小柱上放一个强力的磁铁A。两个斜的木槽M和N叠着倚靠在小柱旁边。上槽M的上端有一个小孔C，下槽N是弯曲的。这位发明家想，如果在上槽上放一个小铁球B，那末由于磁铁A的吸引力，小球会向上滚，可是滚到小孔处，它就要落到下槽N上，一直滚到N槽的下端，然后顺着弯曲处D绕上来，跑到上槽M上。在这里，它又受到磁铁的吸引，重新向上滚，再从小孔里落下去，沿着N槽滚下去，然后再经过弯曲处回到上槽里来，以便重新开始运动。这样，小球就会不停地前后奔走，进行“永恒的运动”。

要指出它的错误也并不难。为什么小球沿着N槽滚到它的下端以后，还会有一种速度，使它能够顺着弯曲处D绕到上面来呢？假如小球只是在重力这一个作用下滚动的，那它是不难顺着弯曲处上升的，因为那时候它是加速地向下滚的。可是这小球是在重力和磁力这两种力的作用下滚着的，并且磁力是这样强，可以强迫小球从位置B上升到C。所以小球沿着N槽滚动的时候不能加速前进，而是要变慢的；即使它能滚到N槽的下端，也无论如何不能积蓄起一种速度，使自己能绕着弯曲处D上升。

此外，人们还提出过利用轮子的惯性，细管子的毛细作用等获得有效动力的种种永动机设计方案，但都无一例外地失败了。其实，在所有的永动机设计中，我们总可以找出一个平衡位置来，在这个位置上，各个力恰好下互抵消掉，不再有任何推动力使它运动。所有永动机必然会在这个平衡位置上静止下来，变成不动机。

各种永动机设计方案的失败，制造永动机美好梦想的破灭，对于每一个寻找永动机的人是一个不小的打击。但是，反思这一失败的探索过程，它从反面给人类以启迪，一些科学家从这一否定的结论中开始思考，提出这样一个问题：永动机不可能制成，是不是说明自然界存在着一条法则，它使我们不可能无中生有地获得能量？也就是说自然界各种能量之间存在着一定的转化关系。这方面的思考是能量转化和守恒原理建立的线索之一。德国著名物理学家和生理学家亥姆霍兹就是从永动机不可能实现的这个事实入手研究发现能量转化和守恒原理的

追寻永动机的失败经历，可以给我们两点启示：首先，失败的经历也有积极的科学研究价值，永动机的种种设计方案的失败，引起了人们的反思，启发了能量转化和守恒的思想，成为能量转化和守恒原理建立的思考线索之一；其次，要依据科学规律办事。历史上追求永动机的人们，并不是因为他们没有一种良好的愿望，也不是他们缺乏刻苦钻研的精神，只是由于他们做的是违背客观规律的工作。

最近又看到有一些人吹嘘永动机的模型。我想针对这些模型运用自己已学的知识作出一些批判。

国内某报声称中国科学院生物物理研究所一位研究员发明的无偏二极管在不需要外加任何能源的条件下，只要环境温度高于负273℃，该器件就能奇迹般地输出直流电流，将是一种取之不尽、完全没有污染的新型能源。据称“无偏二极管”从环境吸收热量后，半导体中的电子能自发形成电流，电流流过负载电阻，电阻发热，热量散发到环境中，通过环境再还给二极管，如此形成循环，二极管便可依靠从环境吸收热量而持续输出能量。该研究员声称他的这项发明是利用所谓“内能”，既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律，不是永动机，而是像自然界中的水-空气循环那样“巧用循环”。其实水-空气循环之所以能够实现，是因为有太阳能补充能量，与该研究员的“巧用循环”并不是一回事。“无偏二极管”是要“从单一室温环境获得能量”，而热力学第二定律已指出，自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，要从单一和均匀的热源(例如海洋、大气层)吸取能量实现循环是不可能的。所以这个“无偏二极管”实际上就是违反热力学第二定律的第二类永动机。

再来看一个更加有趣的例子。

在赤道上建一座40000公里的高塔，若顶上安置个百吨重球，通过长长的齿杆连接到地面，40000公里的高空，完全失重！在横向上塔会迫使重球与地球同步，偏偏纵向上重球却缺乏向心力的约束，因此，重球将被高速甩出去！不仅仅如此，重球升得越高，离心力会越大，它会加速！它会越来越快！于是齿杆就可以带动齿轮，然后是发电机……" 这个方案貌似有理有据，我们暂且不论40000公里的高塔连自己的重量都承受不了。就设计本身而言不违反任何一条定律。设计者仿佛也看到永动时代的到来。但我还是不得不很遗憾的指出，这个设计还是行不通的。我建议这个设计者去看看冰上芭蕾，瞧瞧演员旋转时的展臂动作，他或许就会明白了。首先，要提升长齿杆，就要离心力做功；但离心力做功是以牺牲带动塔一起旋转的地球的动能为代价的。这种动能虽储备颇丰，但毕竟有限！如果他真打算从地

球那儿得到动能，那地球的自转速度就会大大降低，那时我们就不得不面对漫漫的长日与长夜了！

时至今日，仍然还有人在研究设计各种形式的永动机，对此我的态度是设计永动机本身是没有任何意义的，但在研究的过程中有新的发现有新的见解，能推动物理学的进步和发展，这是我们所愿意看到的。至于由此而发明的新技术新成果更是我们所欢迎的。但如果打着制造永动机的幌子招摇撞骗那就实在是让人有点哭笑不得了，在自然科学已经高度发展的今天，有那么多人会相信永动机的存在，这不能不说是一个可悲的事实。

最后我想向老师请教一个关于能量守恒的提法：

是否存在这样的非保守场：某个物体在这个场中沿两个不同的闭合曲线回到出发点，该场作用力对它所做的功不同（也就是说可以不为零）。正因为可以不为零，所以就可以出现往外不停输出能量的机械和不停吸进能量的机械。在这样的非保守场中，是否存在第一类永动机？比如某个物体逆时针转，则可以源源不断地产生能量；如果顺时针转则能量被源源不断地吸走。

我知道这个提法肯定是错误的，请您批评指教。

(物理一班 查毅勇 PB04203121)

第二篇：说明永动机是不可能制成的小论文

举例说明永动机是不可能制成的

摘 要 本文通过对举例说明和对热学原理的阐述验证永动机在现在是不可能实现的。

关键词 永动机；热力学第一定律；热力学第二定律；热力学第三定律； 引言

在热力学中，我们知道能量是不可能凭空产生的，也不可能从单一热源吸收热量全部用来做功，并且热机的功率是达不到百分之百的，所以必然有能量损失，于是乎在不加人能量的情况下是无法实现永动的。第一类永动机

自从永动机从印度开始提出，人们对永动机的追求就从没有停止过。十三世纪的一个叫亨内考的法国人提出如图的永动机 这也可以说是最早的永动机。轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。方案的设计者认为，右边的球比左边的球离轴远些，因此，右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去，并且带动机器转动。但是这个装置的实验结果是只是左右摇摆了几下就停下来了。由杠杆平衡原理可知，右边每个重物施加于轮子的旋转作用虽然较大，但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明，总会有一个适当的位置，使左右两侧重物施加于轮子的相反方向的旋转作用（力矩）恰好相等，互相抵消，使轮子达到平衡而静止下来。16世纪70年代，意大利的一位机械师斯特尔又提出了一个永动机的设计方案。他在设计时认为，由上面水槽流出的水，冲击水轮转动，水轮在带动水磨转动的同时，通过一组齿轮带动螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想，整个装置可以这样不停地运转下去，并有效地对外做功。实际上，流回水槽的水越来越少，很快水槽中的水就全部流进了下面的蓄水池，水轮机也就停止了转动。所以就不会永远动下去。

第一类永动机都是依赖能量的无限输出的，但是能量是只能换的，它只能由一种形式转换成另一种形式，而不能凭空产生。像浮力就是人们利用的最多的一种力，但其实系统中总能找到一个点使得力矩平衡的。下图就是一个例子：

水从上往下流的水力，足以带动一个抽水的系统将水再抽回去。问题是，水车产生的功带动抽水机所抽的水，永远少于将水带上去所需要的能量。

而另一个利用浮力的例子：一连串的球，绕在上下两个轮子上，可以像链条那样转动。右边的一些球放在一个盛满水的容器里。设计者认为，右边如果没有那个盛水的容器，左右两边的球数相等，链条是会平衡的。但是，现在右边这些球浸在水里，受到了水的浮力，就会被水推着向上移动，也就带动整串球绕上下两个轮子转动。上面有一个球露出水面。下面就有一个球穿过容器底，补充进来。这样的永动机也没有制成，是不是因为要下面的球能够通过容器底，而又不能让水漏出来，制造起来技术上有困难呢？技术上的困难并不是主要问题，主要问题还是出在设计的原理上。当下面的球穿过容器底的时候，它和容器底一样，要承受上面水的压力，而且是因为在水的最下部，所以它受到的压力很大。这个向下的压力，就会抵消上面几个球所受的浮力，这个水动机也就无法永动了。而利用磁力也是以个好的设想，此图是Taisnerius 设计的永动机，整个系统由一颗强磁铁，一颗铁球，和两个斜坡所组成。理论上铁球会被磁铁拉上斜坡，再从洞里掉下去，回到开始的地方，从而不停地运作。问题呢？任何强到足以将铁球拉上去的磁铁，自然不可能放铁球从洞里再掉下去啰！当然，你可以说球在下划到低端的时候有一个反冲力，它借助磁铁的吸引力和反冲力回到顶端。但是我们由能量守恒定律可得，球在没有到达顶端的时候速度就已经为0了。我们把磁力的情况简化，那么做功为0。

Mgh-f1s1=1/2mv*2；

1/2mv*2=mgH+f2s2;这样解得H是小于h的。

磁力在整个过程中都做功，但是由于摩擦阻力（一直做负功）的作用，所以能量有损失，但却没有能量的输入。于是球是回不去的，也就谈不上循环运作的，所以也就无法永动了。3

第二类永动机

从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其它影响的热机称为第二类永动机。但实际的热力学过程都是按一定的方向进行的，是不可逆的。热量可以从高温物体传向低温物体，直至达到温度相等的热平衡。虽然第二类永动机没有违背热力学第一定但是却不符合第二定律。

历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。拿绝热膨胀来说，在气体自由膨胀过程中，气体分子从占有较小的空间自发的变化到占有较大的空间，这样分子按位置分布的不确定性变大，即分子运动的无序性变大。从微观上看，绝热自由膨胀也是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。

1877年，玻耳兹蔓提出：孤立系中的自然过程总是沿着热力学概率增大的方向进行。玻耳兹蔓用熵S来表证系统内分子运动无序性的大小。1900年，普朗克改进了玻耳兹蔓的公式：

S=klnΩ

而由熵增加原理可知道永动是不可能的。一个孤立系统的熵不能减少，而只能增加，现实中的情况就是如此；或者不变，在理想的可逆系统的情况下，这在现实世界从未发生。熵增加原理也给出了时间的方向，这就是系统自发演化的方向。比如你从冰箱里取出一块冰，放在手上，冰很快会化成水，水又会化成气；同时，屋子里的温度会降低一点点儿，湿度会增高一点点儿。这个过程是一个人所习见、人所共知的正常过程，这个事件的序列就给出了时间的方向。反过来，如果你看到了它的逆过程：你的手上忽然浮现出一颗水珠，水珠越来越大，然后变成一个冰块，同时，室内的温度增高一点点儿，湿度降低一点点儿，你一定会诧异万分，不是屋子出了毛病，就是你在看电影。这个逆过程虽然不违背热一律，但是违背热二律。

结论：

永动机在现在物理成立的条件下是无法存在的。

但是想要制造永动机就只能寄希望于热力学第一定律和热力学第二定律的不成立了。或者从开放与孤立下手，强调条件不成立；或者干脆就直接想象，存在某一种未知的机制，在将来的某一天改变热二律成立的条件，乃至于改变热二律本身。

但科学的进步需要质疑需要颠覆。

第三篇：永动机主题公园

永动机主题公园

李树森

永动机是指不消耗能量而能永远对外做功的机器，它是违反能量守恒的永不停止运动的发动机。它不使用任何自然能源，无中生有地得到无限多的动力。在人们还没有掌握自然的基本规律时，这种想法曾经引诱许多有杰出创造才能的人，他们付出了大量的智慧和劳动，追求这种梦想的实现。但是，历经800多年，到现在永动机还未能发明，没有任何一部永动机被实际地制造出来，也没有任何一个永动机的设计方案能承受住科学的审查。

永动机没有被实际地制造出来，但是，却留下了大量的设计方案，李树森认为，这些方案是一笔财富，方案可以复制成实体的不永动的或永动的机械，他萌生了在国内某一个地区创建“永动机主题公园”的创意，要通过永动机主题公园的运作方式，将各个历史时期具有代表性的永动机的样品展示出来，让人们看到永动机的发展雏形，看到永动机跨越的时光，看到人们对永动机的痴迷，看到人们的愚昧，看到人们的智慧，看到人们的创新能力，供游客参观回味，供游客了解永动机的发展史。

下面，结合创意人对永动机主题公园的认识程度，对该园的发展作初步描述。

一.定位

1.高起点。永动机主题公园的规模达到国内一流水平。

2.高吸引力。永动机主题公园对游客的吸引力达到国际一流水平。

3.可持续。永动机主题公园的服务年限超过200年，祖先留下了长城、故宫和颐和园，使北京市民常年享受福利，拥有稳定的财源收入，我们为后代留下一座主题公园，也是在增加一条长远的财源通道。

4.少辩论。在园区的企业文化中，对永动机的过去、现在和将来不作平判。

二.目标

1.永动机主题公园的规模能够游客参观一天。

2.使永动机主题公园的营业收入能够保持公园的良好运营，具有盈利能力，再扩建能力。

三.目的1.为建园地区增添一处具有独到和创新特色的旅游景点，吸引更多的人到永动机主题公园来观光，提高旅游产业的创汇能力。

2.利用人们对永动机主题公园的欣赏、探密、评论、批判、争论等行为，增添人们对永动机主题公园的关注度，吸引更多的高端揭密人员到园区调研、吸引更多的积极

维护能量守恒定律权威和尊严的科技人员到园区调研，扩大争议程度，不怕被误解，使赞同方和反对方等各种人群都成为主题公园的游客。

3.将永动机3个字占为己有。永动机三字历史悠久，文化底蕴深厚，它的发展经历是失败连着失败，但围绕着对失败原因的探索，又衍生了认知自然规律的新概念，我们不能把永动机当做失败和愚昧的代名词，可以考虑注册永动机主题公园的商标权，在国内保持这一品牌的唯一性，这将是投资方的偏得，可以考虑由永动机主题公园的运营商，申请各个新推出永动机的外观专利权，保持各种重点造型的垄断能力，力争长期保持园区的新颖性和独特性。

4.使参观永动机主题公园的青少年，见识到多种多样的机械传动机构，开阔视野，提高想象力，学会创造能力。

四.特点

1.园区内分布的永动机历史悠久,形成多种版本的传说，这样，可以根据人们喜好和需要，整理出不同版本的历史小故事，增添园区的历史和文化内涵。

2.内容充实丰富。在园区内，既有13世纪的永动机，又有21世纪的永动机，在取力方式上涉及有重力，浮力，永磁力，惯性，弹力，静压力等，充分体现人们研制永动机的多样性。

第四篇：中国科学技术大学

中国科学技术大学（肖像绘制机器人技术研究）

2011年中国科学技术大学研制了一款肖像绘制机器人。其目标是研制出一台能够自动绘制人脸肖像画的机器人，用于科技馆的展览，起到娱乐、教育和科普的作用。

该研究的主要内容包括：硬件系统的选型与设计——包括根据功能需求选择机械臂，机械臂与画笔连接部分的结构设计，整体系统布局设计，图像采集系统的选型。图像采集与提取算法研究——研究如何使用选定的图像采集系统实时采集观众人脸图像，保存以及从中提取数据。人脸轮廓提取算法研究——主要包括 YCBCR 色彩空间图像的分解，迭代阈值法求最佳分割阈值，外轮廓分割算法，轮廓提取算法，人脸特征提取算法，领子轮廓提取算法，去除头发算法，眼睛和眉毛定位及优化提取算法研究，另外还要研究大量图像的算法通用性和稳定性，目的是提高针对不同观众的脸型特点算法成功率的提升，和系统稳定性的测试工作。机械臂绘画控制系统方法研究——包括人脸轮廓像素的矢量化处理，绘画动作规划算法，机械臂的控制方法研究。

[1]孟盼盼.肖像绘制机器人技术研究[D]:合肥：中国科学技术大学，2011:1-49

第五篇：中国科学技术大学

中国科学技术大学

关于接受自筹经费攻读硕士学位研究生协议书学号：_________________

姓名：___________身份证号：_________________ 通过研究生入学考试的初试和复试，经审核，中国科学技术大学研究生院同意录取______________为自筹经费工商管理专业学位硕士研究生(MBA)。就在读期间的有关事宜，双方协商达成以下协议：

一、自筹经费专业学位研究生在读期间必须按时交纳学费。学校不接受研究生档案、户口转入。生活费用及医疗费由研究生本人负责。

二、自筹经费专业学位研究生培养方式和培养要求以及学历、学位证书均与国家计划内研究生相同，学制3年。

三、收费标准：学费共人民币6万元，分二次交清。

四、自筹经费专业学位研究生不享受我校为国家计划内研究生设立的助教助研岗位津贴。

五、自筹经费专业学位研究生入学报到时，支付学费3万元。第三学期开学注册支付学费3万元。甲方若逾期交付学费，乙方有权拒绝该生注册入学。缴款时请注明学号（见录取通知书）、姓名、学费。

六、自筹经费专业学位研究生在读期间，若触犯国家法律法令或严重违反校纪校规，导致无法继续在校学习者，本协议自行中止，已付学费不退还。

七、本协议一式2份，双方各执1份，经双方签字盖章后生效。

八、本协议内容如有与今后国家颁发的有关规定抵触者，须按国家规定进行修订。中国科学技术大学管理学院（盖章）

负责人（签字）：

培养单位代表（签字）：经费筹集人（单位）（签章）

日期：2014年月日 日期：2014年月日