关键词：永动机；热力学第二定律；溶液；吸水鸟
1、课题背景
永动机是指可在没有外部能量输入的情况下，自行持续对外界做功以致产出能量的理想化模型，本身是违反热力学第二定律或能量守恒定律而无法制造出来的。在当今时代，科学学者们已经达成共识：任何企图设计永动机的努力都是完全没有意义的、徒劳的工作。但如果把目光转向科学史，我们就会发现：与“徒劳、无意义”恰恰相反，科学学者们对永动机的探索历程充满着科学的智慧和天才的设计。因此永动机理论是科学史上一朵难得的奇葩，绝大多数科学成果都是依靠“证实”而获得的，永动机催生出来的两大热力学定律——热力学第一定律或称能量守恒定律、热力学第二定律或称熵增加原理，都是依靠相应类型永动机“无法制成”这一“证伪”的工作而获得的。可以说，永动机的探索在一定程度上推动了物理学的发展，是人们对科学的探索过程中的一环。假若没有永动机，热力学或许至今还是一片狼藉。牛顿曾经说“永动机的探求者是想从虚无中得到什么。”
正因为永动机设计的探索具有“证伪”这一特殊性，实际上热力学第一定律和第二定律都应理解为“公理”而非“定理”，即并没有严谨的逻辑支持。这也就导致时至今日，仍有一些民间“科学家”认为其存在漏洞，永动机有可能制成。关于永动机的探讨至今竟然仍未停止，这些民间科学家甚至用永动机原理制作出了一些“产品”。这类产品无疑就是骗局。
综上，我想通过本文，以永动机的原理分类（第一类、第二类等）为序，简要回顾永动机的探索历程，一方面纪念这些人通过“徒劳的”探索为科学发展做出的贡献，另一方面也阐释清楚目前存在的一些永动机“为什么不能永动”或“为什么不是永动机”。我希望通过本文，打消人们对永动机的执念，破除一些与此相关的骗局，让更多的人离开这条徒劳的探索之路。
2、永动机的历史回顾
2.1第一类永动机
永动机的思想最早来自印度，后来在公元1200年左右传入伊斯兰世界，继而传遍了整个欧洲。而欧洲最早的永动机同时也是最著名的永动机是由一个叫亨内考的法国人提出来的。并且引起了他人的效仿。其图如下
他的设想和他同时代的达芬奇、卡丹、荷兰物理学家司蒂芬、乃至焦耳所设想的永动机大致相同：都是设想以重力为媒介来对外做功，此类永动机已太多被提及，便不再赘述。它们的特点可大致概括为：违反能量守恒定律，由于科技限制使大部分局限于重力，并且有一些在原理上有致命的缺陷。因此达芬奇和焦耳等人独立证明了第一类永动机不可能存在，这是难得可贵的。对于第一类永动机，焦耳曾言“不要永动机，要科学。”
2.2第二类永动机
然后便出现了第二类永动机，对于这个永动机有个非常经典的设想：既然能量守恒定律已被提出，那可不可以从海洋大气、乃至宇宙之能够吸取热能，并将其转化为机械能呢？于是虽然早在19世纪二十年代便有来自法国的工程师卡洛便提出了卡洛循环（日后热力学第二定律基础），并设计了卡诺热机。该热机从理论上证明了热机工作效率和温差成反比，及温差越小，效率越高，反之则越低。但在1881年还是有约翰嘎姆吉为美国人创造了零发动机，企图利用海水将液氨气化，从而给发动机提供推力，只是苦于气化液氨无法循环利用只能作罢或者说由于温差太大而使得效率过低。日后在克劳斯和开尔文对卡诺循环和热力学第一定律的研究并提出热力学第二定律之后，第二类永动机的构想基本上算是彻底破产。不过还是有几个第二类永动机值得探讨：这些永动机在原理上很代表性。
试想，左边是清水，右边是较浓溶液，底部为一个半透膜。由于右边浓度大于左边，因此右侧会吸水升高，水面上升，导管里的水会通过导管从浓溶液导出进入清水，从而构成一个循环。但是这是不可能成立的，右边的溶质会随着水一起进入溶液，从而使左右两边溶液溶质浓度差逐渐减小，是循环终结。
还有一个有趣的例子，就是连爱因斯坦都惊奇不已的吸水鸟。虽然其会连续不断运动，但严格上说这并不是一个永动机。先说其的工作原理，饮水鸟的头和躯体有两个玻璃球，薄壁且导热，两个之间有一根玻璃管相通，乙醚液体充斥其中,构成一个不与外界相通的密闭容器。由于乙醚液体易挥发，挥发后的气体会形成饱和蒸汽。这时向被易吸水的布包住的鸟头滴上少量水，水会蒸发吸热，使头部玻璃球中的乙醚降温降压，又因为温度占主导作用，此时乙醚蒸汽过饱和，重新回到乙醚液体，导致乙醚蒸汽含量减少，头部质量低于尾部，从而使其重心上移，打破了原有平衡，吸水鸟头部下降。当头部恰好接触水面时，头尾部又重新连通，由于压强差，头尾部气体混合，促使压强一致。无压强支持的液体在重力作用下移，尾部质量增加，饮水鸟重心下移，又重新直起来，恢复原来状态。由于此时头部又沾到了水，开始重复上述过程。问题有两个：一是没有足够大的水盆足以装下无限多的水；二是若是不断向内不加水，此时我们知道物质是具有能量的，因此仍然是在注入能量情况下使其不断做功，故也不能视为永动机。
2.3第三类永动机
其实利用地磁场特斯拉线圈也是一类永动机，它企图利用地磁场来进行产能。笔者认为可以将这些借助磁力和电能转化的伪永动机归为第三类永动机。为神魔要称其为伪永动机呢？因为其实际上是消耗能量的。我们知道系统的熵总是自发增加的的，而有序度可以反映熵的大小，有序度越大，熵就越小;相反的系统的熵越大，有序度就越小。当各组分能量趋近于平均值时，系统能量达到最大值。根据ΔG=ΔH-TΔS，所以熵增加，ΔS为正值，ΔG为负值，自由能减少从而使能量耗散。
然后这是一个经典在淘宝上十块钱一个的经典案例，很多人发明的所谓永动机就是其的变式。将一个磁铁放置桌面上然后构造一个环形的回路使磁铁对其做功。其的问题在于磁力的形成与有序度的关系。因为磁铁里的铁中有很多电子，根据安培分子电流假说，电子绕核运动形成电流，电流产生磁场。先将这个磁铁看做永久磁铁，即电磁铁，那么很明显电能转化为磁场，在对外做功实际上是消耗了电能；再拿天然磁铁来说，天然磁铁里的磁力正是无数铁原子有序排列的结果，当磁铁对外做功时，磁铁中的铁原子逐渐脱离原来的空间点阵，总而言之，在磁铁不断对外做功的情况下，宏观上磁铁的磁力降低，微观上磁铁的铁原子排布变得不再规律，有序度降低，熵增加，按照上文提到的系统能量应该已经开始散逸。此时便不能将其看作永动机，因为过一段时间后，磁铁磁力消耗殆尽（微观上表现为铁原子排布完全不规律），机器就将停下来，不能“永远”运动下去。这便是第三类永动机。
3、结论
本文大致从三个方面综述了永动机的发展史来纪念这条路上付出的先辈和总结目前所出现的永动机来帮助人们辨明。第一类永动机很容易判定，从能量不守恒的角度，读者可以很容易发现其中缺陷；而第二类永动机则更难以辨明，本文分别对两个典例进行了阐释，糖水与水那个永动机从原理上不成立，而那个饮水鸟实则拥有能量输入不可混为一谈；笔者提出第三类永动机则是以磁力永动机为代表的伪永动机。望读者有所启发。
参考文献：
[1]梁英贤,殷传宗，熵变与能量转换及物质结构[J].西南师范大学学报(自然科学版),1999,(04):492-495.
[2]武际可.永动机漫话[A].中国力学学会力学史与方法论专业委员会.力学史与方法论论文集[C].中国力学学会力学史与方法论专业委员会:,2003:10.
[3]田宇翔.永动机为什么不可能制成[J].经贸实践,2016,(22):284.