流體永動(dòng)機(jī)伯努利原理

飛機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)翼前大后小，機(jī)翼以它的最大截面并沿運(yùn)動(dòng)方向切割空氣，并在機(jī)翼尾部和機(jī)翼后方形成一定真空。由于流體向各個(gè)方向都有壓強(qiáng)，機(jī)翼尾部形成真空的四周空氣受到大氣壓的作用而加速運(yùn)動(dòng)，這些空氣到達(dá)機(jī)翼尾部就有一定的延時(shí)。飛機(jī)運(yùn)動(dòng)中，機(jī)翼的形狀決定了，空氣尾部的下面空氣先對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生壓力作用，機(jī)翼的上面沒(méi)有空氣作用或有部分空氣作用，這樣就形成了壓力差，產(chǎn)生了升力。飛機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們分清了氣壓對(duì)氣體和飛機(jī)產(chǎn)生的許多作用。我們才能更好地理解伯努利原理。換句話說(shuō)，飛機(jī)的重力可以用來(lái)改變飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向或?qū)諝夥肿蛹铀俚取?

足球表面存在凹面，足球旋轉(zhuǎn)并向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，足球沿運(yùn)動(dòng)方向切割空氣。足球前進(jìn)并順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，它的凹面帶動(dòng)空氣一起運(yùn)動(dòng)，并在空氣阻力作用下，上方空氣速度減小，下方空氣速度增加?？諝庥兴俣炔睿諝馑俣仍酱螽a(chǎn)生的排空效應(yīng)就越強(qiáng)，形成的真空范圍越大，延時(shí)越長(zhǎng)，氣壓能作用于球的壓力越小。

固體管道能隔絕外界氣壓等，固只需要管道中流體的兩頭壓強(qiáng)相等。固體管道中，流體的動(dòng)量也能產(chǎn)生壓強(qiáng)。流體的能量守恒等推導(dǎo)出伯努利方程。伯努利方程適用于固體管道中流動(dòng)的理想流體。單純地說(shuō)：在水流或氣流里，如果速度小，壓強(qiáng)就大，如果速度大，壓強(qiáng)就小。這樣的說(shuō)法就是很牽強(qiáng)的說(shuō)法。

牛頓三大定律是力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等的基礎(chǔ)。物質(zhì)構(gòu)成和狀態(tài)都要用到牛頓三大定律。牛頓三大定律還有很多應(yīng)用。它能為以下結(jié)論作出很多合理解釋。

理想氣體狀態(tài)方程是由研究低壓下氣體的行為導(dǎo)出的。但各氣體在適用理想氣體狀態(tài)方程時(shí)多少有些偏差；壓力越低，偏差越小，在極低壓力下理想氣體狀態(tài)方程可較準(zhǔn)確地描述氣體的行為。極低的壓強(qiáng)意味著分子之間的距離非常大，此時(shí)分子之間的相互作用非常??；又意味著分子本身所占的體積與此時(shí)氣體所具有的非常大的體積相比可忽略不計(jì)，因而分子可近似被看作是沒(méi)有體積的質(zhì)點(diǎn)。于是從極低壓力氣體的行為觸發(fā)，抽象提出理想氣體的概念。

實(shí)際氣體都不同程度地偏離理想氣體定律。偏離大小取決于壓力、溫度與氣體的性質(zhì)，特別是取決于氣體液化的難易程度。當(dāng)溫度較低、壓力較高時(shí)，各種氣體的行為都將不同程度地偏離理想氣體的行為。此時(shí)需要考慮分子間的引力和分子本身的體積重新構(gòu)造氣體狀態(tài)方程。氣體之間的作用力不計(jì)時(shí)，我們認(rèn)為氣體分子沒(méi)有產(chǎn)生堆積。極低的壓強(qiáng)意味著分子之間的距離非常大，重力作用于分子而沒(méi)有其它力平衡分子重力，在這段距離內(nèi)，重力使分子加速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)量，這些動(dòng)量在單位時(shí)間和面積內(nèi)就能產(chǎn)生壓強(qiáng)。極低的氣壓意為著氣體分子之間有比較大的距離，我們認(rèn)為分子重力主要是通過(guò)動(dòng)量傳遞的。氣體的動(dòng)量和溫度、物質(zhì)的量等有關(guān)系，兩個(gè)多世紀(jì)以來(lái)許多科學(xué)家經(jīng)過(guò)不斷地試驗(yàn)、觀察、歸納總結(jié)，得出了理想氣體狀態(tài)方程。分子間的作用力很小，加上溫度較高、壓力較低時(shí)，進(jìn)一步削弱分子力的作用；壓強(qiáng)較低，又能忽略分子本身體積。這樣的氣體就接近理想氣體。

了解了物質(zhì)的三態(tài)和理想氣體狀態(tài)方程，我們能更好的理解滲透壓。如果滲透壓是溶質(zhì)微粒對(duì)水的吸引力。那么溶質(zhì)微粒對(duì)水的吸引力越大，滲透壓就應(yīng)該越大 。顯然情況不是這樣的，溶質(zhì)微粒對(duì)水的吸引力的大小與滲透壓大小無(wú)關(guān)。意為著滲透壓需要一個(gè)更為合理的解釋。

膠體、溶液和懸濁液受浮力和重力外，還受分子作用力等的影響。同一溶器中，膠體和溶液的溶質(zhì)與溶劑濃度的比值幾乎不變的原因，除了浮力的作用，還有擴(kuò)散力和分子作用力（分子作用力包括液體張力）等的作用。溶液中，由于溶質(zhì)和溶劑產(chǎn)生的重力不一樣，形成的物質(zhì)堆積（參照密堆積結(jié)構(gòu)）有一定形變。張力平衡溶質(zhì)和溶劑的重力差。擴(kuò)散又使溶質(zhì)能分散于溶劑之中。

氣液交接面：空氣與水的交接面，它的壓強(qiáng)比較高，氣體濃度高，但不足以阻止高濃度的水分子擴(kuò)散。水分子間的吸引力較大，彼此之間產(chǎn)生引力疊加，加上有一段距離（此距離內(nèi)，分子動(dòng)量克服分子間引力和本身重力做功），分子能產(chǎn)生劇烈的濃度分布，直到壓力、分子重力和引力的合力與分子斥力相等。此時(shí)，保守力場(chǎng)的合力為零。即有擴(kuò)散力各向同性，擴(kuò)散力合力為零。壓力、引力、分子靜電力和分子的擴(kuò)散力的整體作用力的作用效果的合力為零。當(dāng)然，局部范圍和時(shí)間內(nèi)，合力可以不為零。液體內(nèi)擴(kuò)散力產(chǎn)生的壓強(qiáng)處處相等，即有等式C1R1T1=C2R2T2。液體中，液體的濃度和溫度隨壓強(qiáng)的增加而增加，常數(shù)R隨壓強(qiáng)的增加而減小。固化和液化的難度隨壓強(qiáng)增加而減小。

麥克斯韋-玻爾茲曼分布可以用統(tǒng)計(jì)力學(xué)來(lái)推導(dǎo)（參見(jiàn)麥克斯韋-玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)）。它對(duì)應(yīng)于由大量不相互作用的粒子所組成、以碰撞為主的系統(tǒng)中最有可能的速率分布，其中量子效應(yīng)可以忽略。由于氣體中分子的相互作用一般都是相當(dāng)小的，因此麥克斯韋-玻爾茲曼分布提供了氣體狀態(tài)的非常好的近似。液體和固體是具有很強(qiáng)的量子效應(yīng)?？梢哉J(rèn)為液體和固體中，不存在麥克斯韋-玻爾茲曼分布中的分子速率分布；但存在電子的速率分布。

液體和固體分子是堆積起來(lái)的物質(zhì)。分子的壓力和重力的傳遞是依靠分子間的作用力。根據(jù)力學(xué)平衡可知：分子的動(dòng)量相互抵削，合力為零。（若分子的動(dòng)量產(chǎn)生的合力不為零，則分子會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，直到合力為零為止。）注：力學(xué)平衡表明，液體和固體的平均振動(dòng)壓強(qiáng)不變，隨著重力的增加，分子濃度和分子的電子的靜電勢(shì)能增加，分子的平均振動(dòng)能減小，輻射能增加。

因?yàn)槠胶鉂B透壓遵循理想氣體定律。所以滲透壓是很多力作用的結(jié)果。

熱力學(xué)第二定律是建立在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀測(cè)和總結(jié)的基礎(chǔ)上的定律。雖然在過(guò)去的一百多年間未發(fā)現(xiàn)與第二定律相悖的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但始終無(wú)法從理論上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈C明第二定律的正確性。自1993年以來(lái)，Denis J.Evans等學(xué)者在理論上對(duì)熱力學(xué)第二定律產(chǎn)生了質(zhì)疑，從統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的角度發(fā)表了一些關(guān)于“熵的漲落“的理論，比如其中比較重要的FT理論。而后G.M.Wang等人于2002在Physical Review Letters上發(fā)表了題為《小系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)有悖熱力學(xué)第二定律的實(shí)驗(yàn)證明》。從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的角度證明了在一定條件下熱，孤立系統(tǒng)的自發(fā)熵減反應(yīng)是有可能發(fā)生的。

一部分人認(rèn)為麥克斯韋-玻爾茲曼分布——溶液隨深度的增加，溶質(zhì)、溶劑濃度增加。意味著熱溶質(zhì)的滲透壓增加，滲透壓能抵消溶液密度大于水的密度所產(chǎn)生的壓強(qiáng)差。這樣永動(dòng)機(jī)就不成立。依照這部分人的說(shuō)法，溶液密度小于溶劑水的密度，溶質(zhì)的濃度隨深度增加而增加。此時(shí)，滲透壓能加大溶液與水的密度差而產(chǎn)生的壓強(qiáng)差。這樣永動(dòng)機(jī)就成立。顯而易見(jiàn)，這部分人的說(shuō)法是不正確的。熱力學(xué)第二定律是在一定條件下得出的結(jié)論。它和流體永動(dòng)機(jī)沒(méi)有交集。因?yàn)闊崃W(xué)第二定律推出不存在永動(dòng)機(jī)的結(jié)論是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論。所以永動(dòng)機(jī)的存在與否有爭(zhēng)議。

綜上所述：保守力場(chǎng)重力能與分子力相互抵消。根據(jù)牛頓三大定律和實(shí)際氣體的知識(shí)等可知，液體分子的擴(kuò)散力的合力為零。即溶液中，溶質(zhì)的滲透壓處處相等。

在連通器中，流體產(chǎn)生的力和所受的力具有一定的對(duì)稱性。也就是說(shuō)流體產(chǎn)生的力和所受的力的合力為零。從相對(duì)論的等效原理中可知：水溶液和水的密度差產(chǎn)生了壓強(qiáng)差(e1-e2)gh3。假設(shè)半透膜的面積是S；流體永動(dòng)機(jī)的輸出壓強(qiáng)是PS；流體所受的流體阻力是kv。力學(xué)平衡和能量守恒等知識(shí)有：溶質(zhì)擴(kuò)散增加的重力勢(shì)能與減少的重力勢(shì)能（減少的重力勢(shì)能是一部分轉(zhuǎn)化為其它形式的能，另一部分克服摩擦力做功）相等。也就是壓強(qiáng)差(e1-e2)gh3產(chǎn)生的勢(shì)能分成相等的兩部分。即1/2(el-e水)v^2S=1/2(el-e水)gh3S=PS kv小于擴(kuò)散產(chǎn)生的壓強(qiáng)nRT/V。又因?yàn)椴匠蹋舛群兔娣e不變，意為著濃度和流量不變）。擴(kuò)散所受的阻力是f。簡(jiǎn)化有：公式1/2(e1-e2)Sv^2 PS kv 0和nRT/V=1/2(el-e水)v^2 f/S。即具有一定結(jié)構(gòu)的連通器的流體永動(dòng)機(jī)能產(chǎn)生一定的輸出功率。

題外話：氣體分子的作用力（張力和氣體的吸附力等）、氣體的擴(kuò)散、汽車的攪動(dòng)和氣體的浮力是霧霾產(chǎn)生的原因。汽車尾氣的吸附力產(chǎn)生大顆粒物質(zhì)。氣體的擴(kuò)散、汽車的攪動(dòng)和氣體的浮力增加大顆粒物質(zhì)的產(chǎn)生速度并延長(zhǎng)大顆粒物質(zhì)在空氣的停留時(shí)間，形成霧霾。2100433B

永動(dòng)機(jī)是一類想象中的不需外界輸入能源、能量或在僅有一個(gè)熱源的條件下便能夠不斷運(yùn)動(dòng)并且對(duì)外做功的機(jī)械。歷史上人們?cè)?jīng)熱衷于研制各種類型的永動(dòng)機(jī)，其中包括達(dá)芬奇、焦耳這樣的科學(xué)家。另外包括一些希望以永動(dòng)機(jī)出名和獲利的騙子以及狂熱者。在熱力學(xué)體系建立后，人們通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬜C明了永動(dòng)機(jī)是違反熱力學(xué)基本原理的設(shè)想，從此之后就少有永動(dòng)機(jī)的研究者了。不過(guò)從一個(gè)側(cè)面也可以認(rèn)為：人類對(duì)永動(dòng)機(jī)的熱情以及制造永動(dòng)機(jī)的種種實(shí)踐，推動(dòng)了熱力學(xué)體系的建立和機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步。

永動(dòng)機(jī)第一類

第一類永動(dòng)機(jī)是最古老的永動(dòng)機(jī)概念，這一類永動(dòng)機(jī)試圖以機(jī)械的手段在不獲取能源的前提下使體系持續(xù)地向外界輸出能量 。

歷史上最著名的第一類永動(dòng)機(jī)是法國(guó)人亨內(nèi)考在十三世紀(jì)提出的“魔輪”，魔輪通過(guò)安放在轉(zhuǎn)輪上一系列可動(dòng)的懸臂實(shí)現(xiàn)永動(dòng)，向下行方向的懸臂在重力作用下會(huì)向下落下，遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)輪中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的懸臂在重力作用下靠近轉(zhuǎn)輪中心，力矩減小，力矩的不平衡驅(qū)動(dòng)魔輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。十五世紀(jì)，著名學(xué)者達(dá)芬奇也曾經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)相同原理的類似裝置，1667年曾有人將達(dá)芬奇的設(shè)計(jì)付諸實(shí)踐，制造了一部直徑5米的龐大機(jī)械，但是這些裝置經(jīng)過(guò)試驗(yàn)均以失敗告終 。

除了利用力矩變化的魔輪，還有利用浮力、水力等原理的永動(dòng)機(jī)問(wèn)世，但是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，已確認(rèn)這些永動(dòng)機(jī)方案失敗或僅只是騙局，無(wú)一成功 。

1842年荷蘭科學(xué)家邁爾提出能量守恒和轉(zhuǎn)化定律；1843年英國(guó)科學(xué)家詹姆斯·焦耳提出熱力學(xué)第一定律，他們從理論上證明了能夠憑空制造能量的第一類永動(dòng)機(jī)是不能實(shí)現(xiàn)的。熱力學(xué)第一定律的表述方式之一就是：第一類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn) 。

永動(dòng)機(jī)第二類

曾經(jīng)有人設(shè)計(jì)一類機(jī)器，希望它從高溫?zé)釒?kù)（例如鍋爐）吸取熱量后全部用來(lái)做功，不向低溫?zé)釒?kù)排出熱量。這種機(jī)器的效率不是可以達(dá)到100%了嗎？這種機(jī)器不違背能量守恒定律，但是都沒(méi)有成功。人們把這種只從單一熱庫(kù)吸熱，同時(shí)不間斷的做功的永動(dòng)機(jī)叫第二類永動(dòng)機(jī)。這種永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)闄C(jī)械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性：機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其它變化。從研究永動(dòng)機(jī)得到的意外收獲 。

前已提及，英國(guó)科學(xué)家焦耳也曾被永動(dòng)機(jī)這一“奇妙”的發(fā)明所吸引，并為此做了一二十年的實(shí)驗(yàn)，但最后他留給后世的并不是永動(dòng)機(jī)，而是證明永動(dòng)機(jī)不可能的“熱功當(dāng)量定律”，這應(yīng)該算是研究永動(dòng)機(jī)得到的意外收獲 。

斯臺(tái)文是這方面的另一個(gè)例子。在他那個(gè)時(shí)代（16世紀(jì)末—17世紀(jì)初），有一種永動(dòng)機(jī)是廣泛被談?wù)撝?，如圖2所示，有14個(gè)能滾動(dòng)的很重的鐵球用鏈子連起來(lái)放在一個(gè)三棱體上。三棱體的一邊比較斜，一邊比較陡，且斜的一邊比陡的一邊長(zhǎng)些。永動(dòng)機(jī)的制造者們相信，斜的一邊上有4個(gè)重鐵球，陡的一邊只有兩個(gè)重鐵球，4個(gè)鐵球的下滑力自然比兩個(gè)鐵球大，整個(gè)裝置就會(huì)如箭頭所指示的方向滑下來(lái)。一旦左邊滑下去一個(gè)重球，右邊一定同時(shí)補(bǔ)充上一個(gè)重球，左邊的斜面上依然是4個(gè)重球，右邊的斜面上仍只有兩個(gè)重球，永遠(yuǎn)是左邊的下滑力大于右邊的下滑力，球鏈就會(huì)永遠(yuǎn)不斷地運(yùn)動(dòng)下去。荷蘭科學(xué)家斯臺(tái)文在研究這種永動(dòng)機(jī)時(shí)，從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)判斷它不可能永動(dòng)，因?yàn)樽筮吳螂m多，但斜面緩，每個(gè)球產(chǎn)生的向下拉力小，右邊球雖少，但斜面陡，每個(gè)球產(chǎn)生的向下拉力大，結(jié)果兩邊斜面向下的拉力一樣大。至此，斯臺(tái)文并沒(méi)有停止思維，他又把該問(wèn)題進(jìn)一步引向深入：由于球的個(gè)數(shù)跟斜面的長(zhǎng)度成正比，每個(gè)球都是一樣重，所以各邊球的總重也一定跟斜面長(zhǎng)成正比 。

這就是有名的兩個(gè)斜面上力量平衡的定律。

大致詳細(xì)分類

（1）機(jī)械類：妄圖依靠機(jī)械內(nèi)循環(huán)，對(duì)啟動(dòng)能量進(jìn)行增益，以試圖突破能量守恒。并依靠能量增益，使增益的能量輸出，并將輸出能分化為兩部分，一部分給機(jī)械提供動(dòng)力。另一部分對(duì)外做功 。

（2）電/磁動(dòng)機(jī)：屬于永動(dòng)機(jī)范疇，但因不具備工業(yè)實(shí)用性，被稱為玩具。概念，假設(shè)概念，磁鐵與電磁場(chǎng)互動(dòng)，使得能量突破能量守恒，磁動(dòng)機(jī)獲得了輸出大于輸入。但實(shí)際上實(shí)驗(yàn)顯示，磁動(dòng)機(jī)終究會(huì)因?yàn)橄哦Ｖ?。

（3）熱循環(huán)：試圖突破熱一，熱二，但終究失敗，溫度平衡點(diǎn)與溫度不可疊加和轉(zhuǎn)化消耗上，無(wú)法在內(nèi)部環(huán)境中進(jìn)行百分百轉(zhuǎn)化 。

（4）空氣壓縮機(jī)：依靠壓縮空氣，至使溫度升高。理論上，空氣壓縮與釋放能量守恒，但是使用空氣壓縮的機(jī)構(gòu)涉及曲軸等機(jī)械零件能量消耗，并且在熱量揮發(fā)時(shí)速度與空氣回溫等等存在許多不完善，但具體資料因資源有限暫且未知（理論上可行性永動(dòng)機(jī)）。

（5）特斯拉線圈：屬于官方資料，民間流傳的據(jù)說(shuō)是不完整的，但理論上與現(xiàn)實(shí)中線圈的確存在，它是一種在自然界收集電能量的一種器具。姑且不說(shuō)官方文獻(xiàn)，但以自然界電磁場(chǎng)能量制作出的線圈僅僅只能是個(gè)玩具。

（6）飲水鳥(niǎo)：愛(ài)因斯坦自食其言的傳奇玩具，一個(gè)利用液體沸點(diǎn)與自然界溫度的玩具機(jī)械 。

（7）幾何永動(dòng)：這是集齊所有機(jī)械類理論于一體的永動(dòng)機(jī)，并開(kāi)闊創(chuàng)新，成就前無(wú)古人，也可能后無(wú)來(lái)者的失敗永動(dòng)機(jī)。這臺(tái)永動(dòng)機(jī)發(fā)明者只研究增益零件，而放棄了固定能量源，選擇能量源自由。形成了一個(gè)利用周長(zhǎng)相等的圓與三角形之間的力矩不同，而忽略三角形最短力矩的另類組合 。

（8）液態(tài)永動(dòng)：利用液體質(zhì)量的密度與引力，或另一種單純的水與氣體引力相結(jié)合設(shè)計(jì)出的永動(dòng)機(jī)。但因?yàn)槭睾?，利用液體質(zhì)量的至今全部失敗，而水與空氣類型的似乎也是失敗 。

（9）倒吸虹：這個(gè)永動(dòng)機(jī)，企圖改變管道的粗細(xì)，在水管的上方加一個(gè)水箱，依靠水的壓力，改變吸虹勢(shì)能。但因出水口的限制，決定了水的壓力，導(dǎo)致再次失敗 。

在沒(méi)有溫度差的情況下，從自然界中的海水或空氣中不斷吸取熱量而使之連續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器，它違反了熱力學(xué)第二定律，故稱為“第二類永動(dòng)機(jī)”。

前兩種永動(dòng)機(jī)上是制造不出的，磁永動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)就是通過(guò)磁場(chǎng)之間的排斥而產(chǎn)生的力驅(qū)動(dòng)物體工作，因?yàn)榇盆F里面的磁場(chǎng)在正常情況下是消失的很慢的，所以磁永動(dòng)機(jī)是借助磁場(chǎng)產(chǎn)生的排斥力運(yùn)動(dòng)。就是把磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成動(dòng)力。

磁永動(dòng)機(jī)的原理

磁永動(dòng)機(jī)的原理就是利用的磁場(chǎng)之間的排斥作用，磁鐵有N極和S極區(qū)分，同極相互排斥異極相互吸引，當(dāng)兩塊磁鐵接近時(shí)如果是同極就會(huì)互相排斥。如果磁塊以間隔相同的方式鑲嵌在圓柱的邊緣（圓柱非磁體），當(dāng)有磁體以相同極性一定角度接近時(shí)，圓柱就是受到排斥力從而滾動(dòng)起來(lái)。磁永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律，因此是不可以制造出來(lái)的。2100433B