什么是第一类、第二类、第三类永动机

物理学中的坏想法有很多，但其中有一个持续得最久：永动机。没有任何可行的永动机被实验验证过，它们都打破了热力学定律。事实上，我们根据它们打破的热力学定律对它们进行分类。第一类永动机违反了能量守恒定律，它们输出的能量超过了它们运行所需的能量。然后是第二类永动机，它们的错误更加微妙，因为它们违反了热力学第二定律，通过反转熵来提取能量。

第一类和第二类永动机

设计永动机有着非常悠久的历史，从中世纪一直到文艺复兴时期。第一个有据可查的永动机设计是在12世纪，轮子嵌有水银管，当轮子转动时，水银管会来回流动。其他类型的超平衡轮一直延续到文艺复兴时期，并按照相同的原理工作。还有一些设计使用了磁铁，例如在一个坡道中，一个球被磁铁拉到顶部，然后从一个洞中落下并再次滚到底部，这个过程循环重复。

这些机器都没有真正起作用，在每种情况下，我们都可以找到设计者忽略的一些微妙的物理特性。超平衡轮在一侧向外推动质量，但同时增加了这些质量之间的间隔，因此转动惯量不变。一块足够强的磁铁将球拉上斜坡也可以防止它从那个洞里掉下来。

不过在当时，能量守恒定律还没有被发现。因此，第一类永动机的想法在当时是非常流行的，他们认为可以产生比他们使用的更多的能量。但是，18世纪热力学第一定律的发现证明了第一类永动机的不可行性，但这并没有结束这股热潮。发明者继续探索遵循能量守恒的永动机，而这打破了热力学第二定律。

热力学第二定律指出，熵会随着时间的推移而增加。换句话说，能量将倾向于尽可能均匀地分散自身，达到最大熵的状态。所有机器都在重新分配自身时利用这种能量流来工作。第二类永动机声称能够利用已经均匀分布的能量库，有效地逆转熵的增长。

第三类永动机

没有能量梯度或温度梯度，就无法提取能量。事实上，基于温度差异可以提取的能量是有绝对极限的，这个极限是由最重要的永动机系统所定义的：卡诺循环。

在19世纪初，萨迪·卡诺描述了最高效的热机，它是活塞腔内气体的一系列膨胀和收缩，当热量在不同温度的储层之间流动时，它将提供最大可能的能量。至关重要的是，卡诺循环是可逆的，以完全相同的能量反向驱动活塞，它将能量从冷传递到热。原则上，卡诺热机可以从温度梯度中提取能量，然后再次将其泵回，使其成为候选永动机。

但即使在这种最理想的情况下，能量输入与能量输出的比率也完全一致，没有额外的能量被提取。卡诺循环原则上是一个永动机过程，但不会违反任何热力学定律，所以它不是第一类或第二类永动机。事实上，它有时候被称为是第三类永动机。

这类永动机不会试图产生能量，它们只是让自己永远运行。毕竟，牛顿告诉我们，运动中的物体往往会保持运动，除非受到外力的作用。所以消除所有外力，消除任何形式的能量损失，当然任何机器都可以永远运行。事实上，从纯粹的经典原理来看，有些理想的系统可以永远运行，就像一个完美的卡诺热机，或者一个围绕恒星运行的行星。

行不通

但事实上，消除任何能量损失不仅仅是一个工程挑战，从理论上也是不可能的，因为它被量子力学所禁止。

由于所有粒子的内在量子随机性，正如海森堡测不准原理所表达的那样，一切都在运动。内部零件总是振动，产生一些摩擦和内部热量。即使重新捕获热量，即使是隔离的系统的外壁也必须辐射，缓慢泄漏能量。当然还有引力辐射，它会慢慢削弱天体系统的“永动机”。

对于第三种永动机来说，最好的情况是非常缓慢地减速到静止。

编辑：黄飞