在能源探索的漫長歷程中，永動機一直是一個充滿神秘色彩的話題。永動機，即不消耗能量而能永遠對外做功，或者在僅有一個熱源的條件下就能不斷做功的機器。長久以來，人們為了實現這一理想中的能源模式，進行了諸多嘗試，進而衍生出了不同類型的永動機概念。
一般而言，永動機主要分為三類。第一類永動機違背了能量守恒定律，試圖憑空創造出能量；第二類永動機則違反了熱力學第二定律，妄想從單一熱源取熱并使之完全變為有用功而不產生其他影響；第三類永動機雖不違反熱力學定律，但在現實中，由于存在各種不可避免的能量損耗，也難以實現。那所謂的第四類永動機又是什么呢？下面為你詳細解析。
人類對永動機的研究可以追溯到13世紀，如今熱學第一、第二定律似乎已經給永動機判了死刑，但在歷史大部分時間內，人們相信永動機是可行的。其研究也并非讓我們一無所獲，新的物理定律孕育而生，機械學得到發展，更是激發了人們科學地思考。如今再看我們也不禁感慨永動機設計者的智慧，下面我們一起來看看經典的永動機設計。
第一類永動機
第一類永動機是最古老的永動機，它的目標是采用某種特殊的機械結構使得系統無需獲得能量就可持續對外做功。這類永動機是在沒有物理學理論指導下，人們最直觀、最樸素的設計。
- 巴斯卡拉車輪
巴斯卡拉輪是最早的永動機，在輪子周圍加上液體槽，設想順時針運動時左側液體比右側液體產生的重力力矩更大，使輪子永不停息的旋轉。但事實上，輪子兩側力矩相等，也未實現永恒運轉。
2.魔輪
這是歷史上最著名的第一類永動機，亨內考在13世紀提出的魔輪。利用力矩不平衡原理，他認為在左右兩側懸臂距離輪子中心距離不同。但仔細分析，輪子右側力矩雖然長，但懸臂數量少。
隨后，魔輪以不同的形式被模仿和設計，但它從未實現永恒運轉。英國人馬爾基斯在監獄中制造了滾輪永動機，利用滾珠帶動輪子旋轉。據說他給國王演示后，國王大喜，為他減刑釋放。
除此之外，著名的科學家達芬奇也曾制作出達芬奇魔輪，并留下珍貴的手稿。1475年，達芬奇認真總結關于永動機的研究，得出“永動機不可能造成”這一結論。
3.水利永動機
16世紀，歐洲興起水輪永動機。將汲水器與水輪相連，汲水器提升的水帶動水輪，水輪帶動汲水器提水，周而復始。由于能量損耗，汲水器每次收到水輪提供的動力將逐漸減小，因此提升的水將越來越少，水輪永動機也必然不能一直運轉下去。
4.毛細永動機
液體在毛細管中能上升一小段距離，于是有了這樣一個設想。液體在毛細管A中能上升h0高度，現在將管A上方改造為存水裝置形成管B，毛細現象能將水提到水池中嗎？如果能，將水池開口形成C管，水流出帶動水輪構成永動機。
實際上，毛細現象能提升的高度h0與液體密度，液面曲率，表面張力相關。在管B中，液面上升的結果不是管內液體溢出而是導致其自身凹液面的前傾，曲率半徑的變化，從而導致液面平衡的下移，無法在原有高度平衡，更無法進入水槽。
5.磁力永動機
人們對電磁現象不是十分了解時，費盡心思設計磁力永動機，例如用兩對互斥磁極試圖使橫桿在磁力的帶動下無限運轉下去。
類似上述的永動機設計層出不窮，一般都試圖從磁力、重力等獲取能量使得機器成循環的方式運轉，他們忽略了重力、電磁力、彈力等都屬于保守力，在一整個循環內做功總和為0，摩擦力對總能量又有消耗，因此上述永動機不能制成。焦耳將其總結為熱力學第一定律（能量守恒），宣告第一類永動機徹底失敗，自此人們目光轉向第二類永動機。
第二類永動機
第二類永動機一般針對熱機而言。熱機需要從高溫熱源吸熱，再向低溫熱源散熱同時對外做功。人們認為這一過程過于低效，希望設計一種熱機，能將輸送至其內部的熱能全部用于對外做功。這雖然不能創造能量，但可大量提取自然界中的熱能。這符合當時的物理認知，因此一時興起新的永動機制造熱潮。
1. 零度發動機
世界上首臺第二類永動機是1881年嘎姆基（John Gamgee）為美國海軍設計的零度發動機(Zeromotor)。他設想讓汽缸內的液氨從海水中吸收熱量汽化產生蒸汽推動活塞而獲得動能，氨蒸氣冷卻后又凝結成液氨，如此循環往復。
相比一般熱機，這臺熱機無需高溫熱源即可向其內部輸送能量，看似能實現利用自然界中的常溫熱源（例如大海），甚至得到了美國海軍總工程師和美國總統的支持。但該設計忽視了凝結氨蒸氣需要-33℃的低溫，制造該冷源需要消耗能量，最終以失敗告終。
2.記憶金屬永動機
利用5根輕桿和轉軸，輕桿的末端裝有形狀記憶合金制成的葉片，進入熱水因葉片伸展“劃水”而轉動，離開熱水后葉片形狀迅速復原。
這看似又是一個永動機，但該裝置并不是只從單一熱源吸收熱量，空氣是它的低溫熱源，轉輪的運動把部分熱量散發到空氣中。如果將此裝置放入一個絕熱罩內，隨著熱水中的熱量經記憶合金不斷散入空氣中，當兩者溫度平衡時，轉輪就停止運動了。
上面是兩類典型的第二類永動機，一個是將常溫作為高溫熱源，一個將常溫作為低溫熱源。熱力學第二定律告訴我們，熱量無法從低溫物體傳向高溫物體，熱機也無法將熱能完全轉化為機械能。因此對于常溫熱庫而言，熱機運轉中（若絕熱）溫度將逐漸接近環境溫度，導致無法繼續吸熱做功。人們只有不斷的制造低溫熱源，才能將環境能量取出。而如果將常溫作為低溫熱源，那么又需要消耗能量制造高溫熱源。
總之，用溫度做功，就必須維持溫差，溫差是做功的能量來源，而維持溫差需要消耗掉其他能量，因此在熱力學上第二類永動機也無法實現。
第三類永動機
隨著前兩類永動機的破滅，人們將要求進一步減低，某系統在有能量補充的前提下，能一直運轉下去嗎？
1.單擺實驗
對于一個單擺，其能量損失主要由摩擦力引起，如果我們通過太陽能補充其運行過程中消耗的能量，它能永遠運轉下去嗎？看似可行，但在實際中單擺的擺軸會被逐漸磨損，這原因看起來有點不講理，但擺軸摩擦成粉末能否認為是一種熵增的過程呢？
2.生物圈2號
生物圈2號是美國人進行的實驗，巨大密閉溫室中精妙地布置了河流、樹林、動物甚至人。作為一個半孤立系統，其與外界只有能量交換（陽光），沒有物質交換。在外界提供一定能量的基礎上，實現內部有效物質的自循環，這在某種意義上可以稱為第三類永動機。
從能量角度思考，生物圈2號有能量補充，能實現平衡。但系統中物質不斷耗散，這些物質從低熵走向高熵，變為高熵垃圾。那么是否可以將垃圾進行處理呢？其實熱力學第二定律不僅規定了能量轉換的方向，同時也規定了物質轉換的方向——從低熵走向高熵，從可用物質轉化為高熵垃圾。
上述第三類永動機，最終還是敗給了熱二定律，其實質還是第二類永動機。真正的第三類永動機目前也已被探討，并且隨著負絕對溫度的提出，讓其誕生也成為了可能。以后將繼續與大家討論這類永動機。
永動機的理想是美好的，它像物理學發展的一面鏡子，隨著物理理論的不斷發展，永動機愛好者總能在當前物理學框架下做出探索。如今學科分類越來越細，每個細小的方向都值得科學家窮極一生進行探索。永動機的理論基礎將有越來越高的門檻，第四類永動機也在最前沿的理論上有了一定探索，但其存在很大爭議，它會被新的理論和實驗打破嗎？如果真的有永動機制造成，那么是否意味著人類可以逆轉物質耗散呢？無論在分子層面還是宏觀層面，進一步說，這意味著在熵不增加的情況下，人類能獲取能量，而這還是在與熱力學第二定律做對抗，因此可以說永動機是一個幼稚而又終極的問題。
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[4] 光的質問，“第三類永動機和第四類永動機：永動機探索歷程概述”
[5] 張亮, “熱力學第二定律與第二類永動機之錯誤”，科學智慧火花.
