在能源探索的漫长历程中，永动机一直是一个充满神秘色彩的话题。永动机，即不消耗能量而能永远对外做功，或者在仅有一个热源的条件下就能不断做功的机器。长久以来，人们为了实现这一理想中的能源模式，进行了诸多尝试，进而衍生出了不同类型的永动机概念。

一般而言，永动机主要分为三类。第一类永动机违背了能量守恒定律，试图凭空创造出能量；第二类永动机则违反了热力学第二定律，妄想从单一热源取热并使之完全变为有用功而不产生其他影响；第三类永动机虽不违反热力学定律，但在现实中，由于存在各种不可避免的能量损耗，也难以实现。那所谓的第四类永动机又是什么呢？下面为你详细解析。

人类对永动机的研究可以追溯到13世纪，如今热学第一、第二定律似乎已经给永动机判了死刑，但在历史大部分时间内，人们相信永动机是可行的。其研究也并非让我们一无所获，新的物理定律孕育而生，机械学得到发展，更是激发了人们科学地思考。如今再看我们也不禁感慨永动机设计者的智慧，下面我们一起来看看经典的永动机设计。

第一类永动机是最古老的永动机，它的目标是采用某种特殊的机械结构使得系统无需获得能量就可持续对外做功。这类永动机是在没有物理学理论指导下，人们最直观、最朴素的设计。

1. 巴斯卡拉车轮

巴斯卡拉轮是最早的永动机，在轮子周围加上液体槽，设想顺时针运动时左侧液体比右侧液体产生的重力力矩更大，使轮子永不停息的旋转。但事实上，轮子两侧力矩相等，也未实现永恒运转。

2.魔轮

这是历史上最著名的第一类永动机，亨内考在13世纪提出的魔轮。利用力矩不平衡原理，他认为在左右两侧悬臂距离轮子中心距离不同。但仔细分析，轮子右侧力矩虽然长，但悬臂数量少。

随后，魔轮以不同的形式被模仿和设计，但它从未实现永恒运转。英国人马尔基斯在监狱中制造了滚轮永动机，利用滚珠带动轮子旋转。据说他给国王演示后，国王大喜，为他减刑释放。

除此之外，著名的科学家达芬奇也曾制作出达芬奇魔轮，并留下珍贵的手稿。1475年，达芬奇认真总结关于永动机的研究，得出“永动机不可能造成”这一结论。

3.水利永动机

16世纪，欧洲兴起水轮永动机。将汲水器与水轮相连，汲水器提升的水带动水轮，水轮带动汲水器提水，周而复始。由于能量损耗，汲水器每次收到水轮提供的动力将逐渐减小，因此提升的水将越来越少，水轮永动机也必然不能一直运转下去。

4.毛细永动机

液体在毛细管中能上升一小段距离，于是有了这样一个设想。液体在毛细管A中能上升h0高度，现在将管A上方改造为存水装置形成管B，毛细现象能将水提到水池中吗？如果能，将水池开口形成C管，水流出带动水轮构成永动机。

实际上，毛细现象能提升的高度h0与液体密度，液面曲率，表面张力相关。在管B中，液面上升的结果不是管内液体溢出而是导致其自身凹液面的前倾，曲率半径的变化，从而导致液面平衡的下移，无法在原有高度平衡，更无法进入水槽。

5.磁力永动机

人们对电磁现象不是十分了解时，费尽心思设计磁力永动机，例如用两对互斥磁极试图使横杆在磁力的带动下无限运转下去。

类似上述的永动机设计层出不穷，一般都试图从磁力、重力等获取能量使得机器成循环的方式运转，他们忽略了重力、电磁力、弹力等都属于保守力，在一整个循环内做功总和为0，摩擦力对总能量又有消耗，因此上述永动机不能制成。焦耳将其总结为热力学第一定律（能量守恒），宣告第一类永动机彻底失败，自此人们目光转向第二类永动机。

第二类永动机一般针对热机而言。热机需要从高温热源吸热，再向低温热源散热同时对外做功。人们认为这一过程过于低效，希望设计一种热机，能将输送至其内部的热能全部用于对外做功。这虽然不能创造能量，但可大量提取自然界中的热能。这符合当时的物理认知，因此一时兴起新的永动机制造热潮。

1. 零度发动机

世界上首台第二类永动机是1881年嘎姆基（John Gamgee）为美国海军设计的零度发动机(Zeromotor)。他设想让汽缸内的液氨从海水中吸收热量汽化产生蒸汽推动活塞而获得动能，氨蒸气冷却后又凝结成液氨，如此循环往复。

相比一般热机，这台热机无需高温热源即可向其内部输送能量，看似能实现利用自然界中的常温热源（例如大海），甚至得到了美国海军总工程师和美国总统的支持。但该设计忽视了凝结氨蒸气需要-33℃的低温，制造该冷源需要消耗能量，最终以失败告终。

2.记忆金属永动机

利用5根轻杆和转轴，轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，进入热水因叶片伸展“划水”而转动，离开热水后叶片形状迅速复原。

这看似又是一个永动机，但该装置并不是只从单一热源吸收热量，空气是它的低温热源，转轮的运动把部分热量散发到空气中。如果将此装置放入一个绝热罩内，随着热水中的热量经记忆合金不断散入空气中，当两者温度平衡时，转轮就停止运动了。

上面是两类典型的第二类永动机，一个是将常温作为高温热源，一个将常温作为低温热源。热力学第二定律告诉我们，热量无法从低温物体传向高温物体，热机也无法将热能完全转化为机械能。因此对于常温热库而言，热机运转中（若绝热）温度将逐渐接近环境温度，导致无法继续吸热做功。人们只有不断的制造低温热源，才能将环境能量取出。而如果将常温作为低温热源，那么又需要消耗能量制造高温热源。

总之，用温度做功，就必须维持温差，温差是做功的能量来源，而维持温差需要消耗掉其他能量，因此在热力学上第二类永动机也无法实现。

随着前两类永动机的破灭，人们将要求进一步减低，某系统在有能量补充的前提下，能一直运转下去吗？

1.单摆实验

对于一个单摆，其能量损失主要由摩擦力引起，如果我们通过太阳能补充其运行过程中消耗的能量，它能永远运转下去吗？看似可行，但在实际中单摆的摆轴会被逐渐磨损，这原因看起来有点不讲理，但摆轴摩擦成粉末能否认为是一种熵增的过程呢？

2.生物圈2号

生物圈2号是美国人进行的实验，巨大密闭温室中精妙地布置了河流、树林、动物甚至人。作为一个半孤立系统，其与外界只有能量交换（阳光），没有物质交换。在外界提供一定能量的基础上，实现内部有效物质的自循环，这在某种意义上可以称为第三类永动机。

从能量角度思考，生物圈2号有能量补充，能实现平衡。但系统中物质不断耗散，这些物质从低熵走向高熵，变为高熵垃圾。那么是否可以将垃圾进行处理呢？其实热力学第二定律不仅规定了能量转换的方向，同时也规定了物质转换的方向——从低熵走向高熵，从可用物质转化为高熵垃圾。

上述第三类永动机，最终还是败给了热二定律，其实质还是第二类永动机。真正的第三类永动机目前也已被探讨，并且随着负绝对温度的提出，让其诞生也成为了可能。以后将继续与大家讨论这类永动机。

永动机的理想是美好的，它像物理学发展的一面镜子，随着物理理论的不断发展，永动机爱好者总能在当前物理学框架下做出探索。如今学科分类越来越细，每个细小的方向都值得科学家穷极一生进行探索。永动机的理论基础将有越来越高的门槛，第四类永动机也在最前沿的理论上有了一定探索，但其存在很大争议，它会被新的理论和实验打破吗？如果真的有永动机制造成，那么是否意味着人类可以逆转物质耗散呢？无论在分子层面还是宏观层面，进一步说，这意味着在熵不增加的情况下，人类能获取能量，而这还是在与热力学第二定律做对抗，因此可以说永动机是一个幼稚而又终极的问题。

参考文献：

[1] 崔莹, 徐国艳, 高峰. 永动机的神话[M]. 机械工业出版社, 2012.

[2] 谢名春. "否定毛细永动机的唯象理论." 四川师范大学学报：自然科学版 17.4(1994):4.

[3] veproject官方频道， “几组水车版永动机，哪个结构更让你心动？”2020.

[4] 光的质问，“第三类永动机和第四类永动机：永动机探索历程概述”

[5] 张亮, “热力学第二定律与第二类永动机之错误”，科学智慧火花.