熱力學三大定律分別為能量守恒、熵增定律和絕對零度無法到達，人們對熱力學定律的認識也是糾正永動機思想的過程，是人類“美好思想”不斷“碰壁”的過程，這些“碰壁”對于個人成長有著深刻的啟示意義。
永動機的想法最初起源于印度，大約公元1200年前后，經由伊斯蘭教世界傳到了西方。歐洲最早的永動機方案是由法國亨內考（Villardde Honnecourt，13世紀人，留存有他的素描本，共有250幅素描）提供的。
亨內考想象有許多小球連接在一個有限位裝置的輪子上，當小球在右側時小球遠離輪心，產生較大的力矩；而當小球到達左側時，連接桿靠近輪緣，產生小的力矩。亨內考以此希望這個輪子可以在不輸入額外動力的情況下，永不停歇的運動。
圖1 亨內考永動機 (a)素描（約1203年） (b)復原圖
這當然是不可能的，因為小球在右側時力矩較大，但小球的分布是稀疏的，在左側時，雖然小球產生的力矩小，但比較密集，因此，總有使輪子達到平衡的狀態(tài)，這也意味著這個輪子并不會永久的運動下去。
文藝復興時期，著名的意大利藝術家達芬奇（Leonardo da Vinci，1452-1519）也曾設計過一款永動機，如圖2所示。該永動機將輪子的輻條做成小球滾動的軌道，并通過曲線設計讓小球在其中滾動，如圖2b所示，輪子左側的小球遠離輪心，產生大的力矩，右側的小球靠近輪心，產生小的力矩。本質上達芬奇利用與亨內考相同的原理，不過達芬奇經過試驗后發(fā)現，輪子初始運動不久后就會停在某個地方，根本不可能實現永動。因此他在設計圖的旁邊寫下了一段文字：
'for everyaction there is an opposite and equal reaction'
對于任何運動，總存在反向、等大的反力。
這句話隱含的表達了永動機的不可能。牛頓第三定律表述為：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。達芬奇的標注，似乎表明達芬奇在牛頓前近2個世紀已經意識到了牛頓第三定律。
圖2 達芬奇永動機 (a)素描（約1203年） (b)復原
盡管達芬奇很早否定了永動機的想法，但人們對永動機的嘗試一直沒有停止過，甚至到現在還有各種各樣的永動機設計方案。
這類永動機代表了一種“不勞而獲”的想法，隨著熱力學第一定律的發(fā)現，這類永動機就被否決了。這期間，德國醫(yī)生邁爾（Julius Robert von Mayer,1814-1878），英國物理學家焦耳（James Prescott Joule,1818-1889），德國物理學家（Hermannvon Helmholtz，1821-1894）做出了關鍵性的貢獻。
圖3 熱力學第一定律創(chuàng)立者
邁爾是一位德國醫(yī)生，1840年，他作為隨船醫(yī)生到達印度尼西亞，有些船員因水土不服而生病。在德國常采用放血療法醫(yī)治水土不服，而放出的血通常為黑紅色，邁爾卻發(fā)現此時船員的血依然是鮮紅色的。從這一現象，邁爾想到了血液紅是由于富含氧，而氧在體內維持燃燒產生熱。在印度尼西亞，由于氣溫高，人不需要太多的熱量，因此氧就被保留下來致使血液鮮紅。邁爾順著這條思路，一下打開了一扇他從未意識過的大門。邁爾想到肉和菜是身體熱量的物質基礎，那肉和菜的熱量如何而來，邁爾又想到了光合作用。邁爾越想越多，從太陽能想到植物能、動物能、到人的食物、氧化反應、人體熱量等等，最后歸結為一點：能量發(fā)生了轉化。
邁爾返回歐洲后，不久撰寫了On the Quantitative and Qualitative Determination of Forces（1841年）（百度百科中譯為：論無機界的力，在德國力force有能量的意思），在該論文中邁爾提出了能量“無不生有，有不變無”、“原因等于結果”等重要思想，并用自己的方法測定了熱功當量為365 (千克.米/千卡) 。要知道，在此之前，人們對于熱和燃燒等現象，還一直停留在熱質說，能量轉換、守恒等思想很難被人們接收。邁爾將他的研究成果提交到《物理年鑒》（Annalen der Physik），但很快就被拒稿，并被人們嘲笑為瘋子。
與邁爾同時期的英國物理學家焦耳在這時也注意到了能量轉換，1843年，焦耳設計了巧妙的實驗較為精確的測定出了熱功當量為428.9 (千克.米/千卡)，此后又分別于1845、1850年更加精確的測定了熱功當量，焦耳的風頭徹底蓋過了邁爾。
圖4 焦耳熱功當量的測量
1847年，德國的另一位物理學家亥姆霍茲（早年從事醫(yī)學、生物學的研究）發(fā)表了On theConservation of Force《論力的守恒》，在該文中主要提出了三個觀點：1. 一切科學都可以歸結為力學；2. 強調了力所傳遞的能量或它所作的功來量度力；3. 能量是守恒的。亥姆霍茲首次用數學化形式表述了在孤立系統中機械能的守恒，把能量的概念推廣到熱學、電磁學、天文學和生理學領域，提出能量的各種形式相互轉化和守恒的思想，這就是熱力學第一定律。根據這一定律，亥姆霍茲明確的提出由于能量具有守恒性，不能憑空產生，因此永動機的想法不可能實現。
人們將違反熱力學第一定律的永動機稱為第一類永動機，以此來區(qū)別于后來那些不違反熱力學第一定律的其它永動機方案。如第二類永動機，人們承認能量守恒，只是希望永動機的能由海洋、大氣乃至宇宙提供，在這些取之不盡的能源下實現永久運動。第二類永動機的想法最終被熱力學第二定律所否決。
在熱力學第一定律提出的時期，也是蒸汽機蓬勃發(fā)展的時期。然而人們對蒸汽機效率低下的問題卻一籌莫展。最初的紐卡門機按照燃料熱值計算，其效率只有0.5%，也就是說燃燒1000噸的煤，只有相當于5噸的煤做了功，其余的995噸都白白浪費掉了。即便到了1840年，制造精良的冷凝式蒸汽機，其效率只有8%左右，這實在令人難以接受。這或許也是人們向往第二類永動機的原因所在。
歷史上第二類永動機的案例很少，19世紀70-80年代英國獸醫(yī)和發(fā)明家加吉（John Gamgee，1831-1894）設計出了第二類永動機的原型機，并成功說服了美國海軍總工程師和加菲爾德（Garfield）總統支持他的設計。加吉的設想是這樣：給輪船裝上一個大容量的液氨容器，然后利用周圍空氣的熱量使氨氣化，氨在膨脹后推動活塞做功，再讓氨氣通過與海水接觸的冷管道進行冷卻，使氨氣變?yōu)橐簯B(tài)的氨。整個循環(huán)不需要任何外部的燃料，僅依靠大氣和海水的熱源。
這個誘人的想法，從50年前卡諾的研究中就會被輕易的否定。1824年，法國被譽為“熱力學之父”的卡諾（Nicolas Léonard Sadi Carnot，1796-1832）發(fā)表了《關于火的動力》，提出了卡諾定理，他指出理想熱機的熱效率為
η=1-T2/T1 (1)
其中，η為熱機效率，T2表示低溫熱源，T1表示高溫熱源（絕對溫度）。這表明熱機效率依賴于低溫和高溫兩個熱源，溫差是熱機熱效率輸出的前提。對于加吉所設計的第二類永動機，液態(tài)氨變?yōu)闅怏w后，由于氨氣冷凝所需要的溫度為-33oC，僅通過海水是無法使其再變?yōu)橐喊钡摹Ｒ簿褪钦f加吉所謂的永動機，只能做一個沖程的運動，而無法產生循環(huán)往復，隨著液氨的逐步氣化，加吉永動機必將最終走向停止。
卡諾去世46年后（1878年），他的論文被克拉貝隆（Benoit Pierre Emile Clapeyron, 1799-1864），開爾文（LordKelvin, 1824-1888），克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822－1888）等人重新關注。其中，克拉貝隆建立了理想氣體的狀態(tài)方程，
PV=nRT (2)
其中，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。還依據示功圖描述了卡諾循環(huán)，這為熱力學分析奠定了重要基礎。
1850年，克拉貝隆的研究引起了克勞修斯的關注，克勞修斯指出卡諾定律如果成立必須滿足第二熱力學定律，即“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?！笨藙谛匏惯€引進了“熵”的概念?；\統的講，熵表征了熱力學系統分子運動的混亂程度：系統溫度越高，分子運動越混亂，熵值越高；相反，系統溫度低，分子相對有序的運動，熵值越低。由于熱只能從高溫物體傳向低溫物體，而不能從低溫物體自發(fā)的傳向高溫物體，因此系統在自發(fā)狀態(tài)下總是沿著溫度升高的方向發(fā)展，熱力學第二定律也被稱為熵增定律。
1851年，愛爾蘭物理學家開爾文也獨立的給出了第二定律的另一種描述：不可能制成一種循環(huán)動作的熱機，從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?。因為按照卡諾定理，功可以完全變成熱，而熱卻不能完全的產生功（熱機效率不可能達到1），總會伴隨著熱從高溫熱源向低溫熱源耗散損失。第二類永動機通常描述為“旨在從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a生其它影響的熱機”，顯然與熱力學第二定律相矛盾。
熱力學第一、第二定律的誕生徹底終結了第一、第二類永動機，但人們對美好生活的追求絕不會停止，人們又指望設計一種完全沒有無用損傷，熱效率可達100%的永動機，這被稱為第三類永動機。
從卡諾熱機效率的式(1)可以看出，當低溫熱源T2等于絕對零度（-273oC）時，熱機效率可以達到100%。但是T2=0是不可能的，根據狀態(tài)方程(2)可知，當T等于0時，要么P=0，要么V=0，而實際上氣體總會有一定的體積和壓強，絕對零度是根據狀態(tài)方程的外推結果，并不是一種真實情況。而絕對零度不可能達到被稱為熱力學第三定律，是第三類永動機的終結者。
相比于第一、第二定律，第三定律的提出要晚很多，大概在1906-1912之間由德國化學家恩斯特（Walther Nernst，1864-1941）提出。恩斯特在1912年的一篇論文中寫道：“任何程序都不可能在有限的步驟中使等溫線T=0”，即絕對零度不可能達到。后來，普朗克（Max Planck，1858-1947）給出了熱力學第三定律的另一種表述：所有純晶體均質材料在內部平衡狀態(tài)下，其熵在絕對零度時都為0（在普通的熱力學中只關心熵的變化，并不關心熵的取值）。
簡單來看，第三定律可以從卡諾定律導出，似乎意義不大，其實不然。恩斯特定律的提出為化學家根據熱量測量確定化學反應的自由能提供了依據。此外，恩斯特在實驗中發(fā)現，在低溫條件下，比熱顯著下降，并大膽的預測了比熱可能會在絕對為零時消失，這對量子力學的發(fā)展提供了強有力的驅動力。
第三類永動機人們沒有從機械的角度來考慮（太難了），通常認為理想單擺在不受阻力作用時，就是第三類永動機。此外，也有人將“太陽-行星”體系、“原子-電子”體系視為第三類永動機，或許它們沒有與環(huán)境的能量交換，不過這也不一定就是真理。
1990年代，美國人在亞利桑那州的沙漠里曾進行過一個稱為“生物圈2號”（Biosphere 2，美國人將地球本身命名為1號）的實驗，該項目占地1.27公頃，以地球北回歸線和南回歸線間的生態(tài)系統為樣板，設計有熱帶雨林、熱帶草原、海洋、沼澤、沙漠等5個野生生物群落和集約農業(yè)區(qū)和居住區(qū)2個人工生物群落。生物圈2號，被構造成一個全封閉系統，為了避免內部壓力變化破壞玻璃窗板，生物圈2號設計兩個薄膜覆蓋的空間，它們可隨壓力改變體積，被稱為生物圈2號的“肺”。
圖6 生物圈2號
生物圈2號共在1991至1993年進行了兩期實驗，遺憾的是，研究人員發(fā)現生物圈2號的氧氣與二氧化碳的大氣組成比例，無法自行達到平衡；水泥建筑物也會影響到正常的碳循環(huán)；此外，物種多樣性相對單一，缺少足夠分解者作用，多數動植物無法正常生長或生殖，其滅絕的速度比預期的還要快。經廣泛討論，確認“生物圈2號”實驗失敗。
生物圈2號希望構建一個可永遠運動的封閉系統（該系統也被視為在太空構建封閉生物圈的先驅），該系統可自行循環(huán)，是一個轉化效率可達100%的“熱系統”，或許生物圈2號就是違背了熱力學第三定律，最終導致了它的失敗。
回顧三類永動機的破滅和熱力學三大定律，或許可以得出一些個人成長的啟示：在生活中只有付出才能得到回報，因為根據能量守恒，任何不勞而獲的想法都是徒勞的；
熱力學第二定律告訴我們自然系統的演化具有方向性，無論我們做什么，都會產生永久性的影響。在我們做出某些決定時，一定要加倍小心，因為一旦我們做了相應的事情，就無法回到原狀，這大概就是我們常說的“世界上沒有后悔藥”。這也深刻的啟示我們，如果所做的事是符合社會價值觀、對社會和民族有益的事情，它的益處遲早會表現出來，而做相反的事，它的壞處也遲早會影響到我們的生活；
熱力學第三定律告訴我們不要指望自己的付出會100%的得到回報，事事不盡如人意就是客觀規(guī)律，要學會與遺憾和平共處。大自然是如此的吝嗇，不過不要氣餒，正如生物圈2號，是大自然逼迫人們在相對封閉空間內留出一扇通往外界的大門！
參考文獻
熱力學第三定律.
https://en.wikipedia.org/wiki/Third_law_of_thermodynamics
第二類永動機.
https://eandt.theiet.org/content/articles/2017/03/eccentric-engineer-the-perpetual-motion-machine-that-fooled-a-president/
白靜. 由邁爾的科學蒙難談熱力學第一定律教學中的潛科學分析[J]. 中國科教創(chuàng)新導刊, 2008, 000(017):136-136.
永動機的歷史
https://www.lockhaven.edu/~dsimanek/museum/people/people.htm
本文經授權轉載自微信公眾號“力學酒吧”。
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