流體永動機牛頓三大定律

牛頓三大定律是力學和運動學等的基礎(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用。它能為以下結(jié)論作出很多合理解釋。

飛機運動時，機翼前大后小，機翼以它的最大截面并沿運動方向切割空氣，并在機翼尾部和機翼后方形成一定真空。由于流體向各個方向都有壓強，機翼尾部形成真空的四周空氣受到大氣壓的作用而加速運動，這些空氣到達機翼尾部就有一定的延時。飛機運動中，機翼的形狀決定了，空氣尾部的下面空氣先對機翼產(chǎn)生壓力作用，機翼的上面沒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。飛機運動時，我們分清了氣壓對氣體和飛機產(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，飛機的重力可以用來改變飛機的運動方向或?qū)諝夥肿蛹铀俚取?

足球表面存在凹面，足球旋轉(zhuǎn)并向前運動時，足球沿運動方向切割空氣。足球前進并順時針方向旋轉(zhuǎn)時，它的凹面帶動空氣一起運動，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?，空氣速度越大產(chǎn)生的排空效應就越強，形成的真空范圍越大，延時越長，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相等。固體管道中，流體的動量也能產(chǎn)生壓強。流體的能量守恒等推導出伯努利方程。伯努利方程適用于固體管道中流動的理想流體。單純地說：在水流或氣流里，如果速度小，壓強就大，如果速度大，壓強就小。這樣的說法就是很牽強的說法。

理想氣體狀態(tài)方程是由研究低壓下氣體的行為導出的。但各氣體在適用理想氣體狀態(tài)方程時多少有些偏差；壓力越低，偏差越小，在極低壓力下理想氣體狀態(tài)方程可較準確地描述氣體的行為。極低的壓強意味著分子之間的距離非常大，此時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氣體所具有的非常大的體積相比可忽略不計，因而分子可近似被看作是沒有體積的質(zhì)點。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。當溫度較低、壓力較高時，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時，我們認為氣體分子沒有產(chǎn)生堆積。極低的壓強意味著分子之間的距離非常大，重力作用于分子而沒有其它力平衡分子重力，在這段距離內(nèi)，重力使分子加速運動，產(chǎn)生動量，這些動量在單位時間和面積內(nèi)就能產(chǎn)生壓強。極低的氣壓意為著氣體分子之間有比較大的距離，我們認為分子重力主要是通過動量傳遞的。氣體的動量和溫度、物質(zhì)的量等有關(guān)系，兩個多世紀以來許多科學家經(jīng)過不斷地試驗、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，進一步削弱分子力的作用；壓強較低，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)微粒對水的吸引力。那么溶質(zhì)微粒對水的吸引力越大，滲透壓就應該越大 。顯然情況不是這樣的，溶質(zhì)微粒對水的吸引力的大小與滲透壓大小無關(guān)。意為著滲透壓需要一個更為合理的解釋。

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，它的壓強比較高，氣體濃度高，但不足以阻止高濃度的水分子擴散。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，保守力場的合力為零。即有擴散力各向同性，擴散力合力為零。壓力、引力、分子靜電力和分子的擴散力的整體作用力的作用效果的合力為零。當然，局部范圍和時間內(nèi)，合力可以不為零。液體內(nèi)擴散力產(chǎn)生的壓強處處相等，即有等式C1R1T1=C2R2T2。液體中，液體的濃度和溫度隨壓強的增加而增加，常數(shù)R隨壓強的增加而減小。固化和液化的難度隨壓強增加而減小。

麥克斯韋-玻爾茲曼分布可以用統(tǒng)計力學來推導（參見麥克斯韋-玻爾茲曼統(tǒng)計）。它對應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，其中量子效應可以忽略。由于氣體中分子的相互作用一般都是相當小的，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的量子效應?？梢哉J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)力學平衡可知：分子的動量相互抵削，合力為零。（若分子的動量產(chǎn)生的合力不為零，則分子會發(fā)生相對移動，直到合力為零為止。）注：力學平衡表明，液體和固體的平均振動壓強不變，隨著重力的增加，分子濃度和分子的電子的靜電勢能增加，分子的平均振動能減小，輻射能增加。

因為平衡滲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。

熱力學第二定律是建立在對實驗結(jié)果的觀測和總結(jié)的基礎(chǔ)上的定律。雖然在過去的一百多年間未發(fā)現(xiàn)與第二定律相悖的實驗現(xiàn)象，但始終無法從理論上嚴謹?shù)刈C明第二定律的正確性。自1993年以來，Denis J.Evans等學者在理論上對熱力學第二定律產(chǎn)生了質(zhì)疑，從統(tǒng)計熱力學的角度發(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)短時間內(nèi)有悖熱力學第二定律的實驗證明》。從實驗觀測的角度證明了在一定條件下熱，孤立系統(tǒng)的自發(fā)熵減反應是有可能發(fā)生的。

一部分人認為麥克斯韋-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)生的壓強差。這樣永動機就不成立。依照這部分人的說法，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，滲透壓能加大溶液與水的密度差而產(chǎn)生的壓強差。這樣永動機就成立。顯而易見，這部分人的說法是不正確的。熱力學第二定律是在一定條件下得出的結(jié)論。它和流體永動機沒有交集。因為熱力學第二定律推出不存在永動機的結(jié)論是不夠嚴謹?shù)慕Y(jié)論。所以永動機的存在與否有爭議。

綜上所述：保守力場重力能與分子力相互抵消。根據(jù)牛頓三大定律和實際氣體的知識等可知，液體分子的擴散力的合力為零。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稱性。也就是說流體產(chǎn)生的力和所受的力的合力為零。從相對論的等效原理中可知：水溶液和水的密度差產(chǎn)生了壓強差(e1-e2)gh3。假設(shè)半透膜的面積是S；流體永動機的輸出壓強是PS；流體所受的流體阻力是kv。力學平衡和能量守恒等知識有：溶質(zhì)擴散增加的重力勢能與減少的重力勢能（減少的重力勢能是一部分轉(zhuǎn)化為其它形式的能，另一部分克服摩擦力做功）相等。也就是壓強差(e1-e2)gh3產(chǎn)生的勢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小于擴散產(chǎn)生的壓強nRT/V。又因為伯努利方程（濃度和面積不變，意為著濃度和流量不變）。擴散所受的阻力是f。簡化有：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機能產(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）、氣體的擴散、汽車的攪動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)。氣體的擴散、汽車的攪動和氣體的浮力增加大顆粒物質(zhì)的產(chǎn)生速度并延長大顆粒物質(zhì)在空氣的停留時間，形成霧霾。2100433B

永動機是一類想象中的不需外界輸入能源、能量或在僅有一個熱源的條件下便能夠不斷運動并且對外做功的機械。歷史上人們曾經(jīng)熱衷于研制各種類型的永動機，其中包括達芬奇、焦耳這樣的科學家。另外包括一些希望以永動機出名和獲利的騙子以及狂熱者。在熱力學體系建立后，人們通過嚴謹?shù)倪壿嬜C明了永動機是違反熱力學基本原理的設(shè)想，從此之后就少有永動機的研究者了。不過從一個側(cè)面也可以認為：人類對永動機的熱情以及制造永動機的種種實踐，推動了熱力學體系的建立和機械制造技術(shù)的進步。

永動機第一類

第一類永動機是最古老的永動機概念，這一類永動機試圖以機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機是法國人亨內(nèi)考在十三世紀提出的“魔輪”，魔輪通過安放在轉(zhuǎn)輪上一系列可動的懸臂實現(xiàn)永動，向下行方向的懸臂在重力作用下會向下落下，遠離轉(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)動魔輪的轉(zhuǎn)動。十五世紀，著名學者達芬奇也曾經(jīng)設(shè)計了一個相同原理的類似裝置，1667年曾有人將達芬奇的設(shè)計付諸實踐，制造了一部直徑5米的龐大機械，但是這些裝置經(jīng)過試驗均以失敗告終 。

除了利用力矩變化的魔輪，還有利用浮力、水力等原理的永動機問世，但是經(jīng)過試驗，已確認這些永動機方案失敗或僅只是騙局，無一成功 。

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

永動機第二類

曾經(jīng)有人設(shè)計一類機器，希望它從高溫熱庫（例如鍋爐）吸取熱量后全部用來做功，不向低溫熱庫排出熱量。這種機器的效率不是可以達到100%了嗎？這種機器不違背能量守恒定律，但是都沒有成功。人們把這種只從單一熱庫吸熱，同時不間斷的做功的永動機叫第二類永動機。這種永動機不可能制成，是因為機械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性：機械能可以轉(zhuǎn)化內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起其它變化。從研究永動機得到的意外收獲 。

前已提及，英國科學家焦耳也曾被永動機這一“奇妙”的發(fā)明所吸引，并為此做了一二十年的實驗，但最后他留給后世的并不是永動機，而是證明永動機不可能的“熱功當量定律”，這應該算是研究永動機得到的意外收獲 。

斯臺文是這方面的另一個例子。在他那個時代（16世紀末—17世紀初），有一種永動機是廣泛被談論著的，如圖2所示，有14個能滾動的很重的鐵球用鏈子連起來放在一個三棱體上。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些。永動機的制造者們相信，斜的一邊上有4個重鐵球，陡的一邊只有兩個重鐵球，4個鐵球的下滑力自然比兩個鐵球大，整個裝置就會如箭頭所指示的方向滑下來。一旦左邊滑下去一個重球，右邊一定同時補充上一個重球，左邊的斜面上依然是4個重球，右邊的斜面上仍只有兩個重球，永遠是左邊的下滑力大于右邊的下滑力，球鏈就會永遠不斷地運動下去。荷蘭科學家斯臺文在研究這種永動機時，從經(jīng)驗出發(fā)判斷它不可能永動，因為左邊球雖多，但斜面緩，每個球產(chǎn)生的向下拉力小，右邊球雖少，但斜面陡，每個球產(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，斯臺文并沒有停止思維，他又把該問題進一步引向深入：由于球的個數(shù)跟斜面的長度成正比，每個球都是一樣重，所以各邊球的總重也一定跟斜面長成正比 。

這就是有名的兩個斜面上力量平衡的定律。

大致詳細分類

（1）機械類：妄圖依靠機械內(nèi)循環(huán)，對啟動能量進行增益，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，一部分給機械提供動力。另一部分對外做功 。

（2）電/磁動機：屬于永動機范疇，但因不具備工業(yè)實用性，被稱為玩具。概念，假設(shè)概念，磁鐵與電磁場互動，使得能量突破能量守恒，磁動機獲得了輸出大于輸入。但實際上實驗顯示，磁動機終究會因為消磁而停止 。

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

（4）空氣壓縮機：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構(gòu)涉及曲軸等機械零件能量消耗，并且在熱量揮發(fā)時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（理論上可行性永動機）。

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

（6）飲水鳥：愛因斯坦自食其言的傳奇玩具，一個利用液體沸點與自然界溫度的玩具機械 。

（7）幾何永動：這是集齊所有機械類理論于一體的永動機，并開闊創(chuàng)新，成就前無古人，也可能后無來者的失敗永動機。這臺永動機發(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。形成了一個利用周長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：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)計出的永動機。但因為守恒，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：這個永動機，企圖改變管道的粗細，在水管的上方加一個水箱，依靠水的壓力，改變吸虹勢能。但因出水口的限制，決定了水的壓力，導致再次失敗 。

在沒有溫度差的情況下，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械能的機器，它違反了熱力學第二定律，故稱為“第二類永動機”。

前兩種永動機上是制造不出的，磁永動機實質(zhì)就是通過磁場之間的排斥而產(chǎn)生的力驅(qū)動物體工作，因為磁鐵里面的磁場在正常情況下是消失的很慢的，所以磁永動機是借助磁場產(chǎn)生的排斥力運動。就是把磁場轉(zhuǎn)換成動力。

磁永動機的原理

磁永動機的原理就是利用的磁場之間的排斥作用，磁鐵有N極和S極區(qū)分，同極相互排斥異極相互吸引，當兩塊磁鐵接近時如果是同極就會互相排斥。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），當有磁體以相同極性一定角度接近時，圓柱就是受到排斥力從而滾動起來。磁永動機違反了能量守恒定律，因此是不可以制造出來的。2100433B