第一類永動機

歷史上最著名的第一類永動機是法國人亨內考在13世紀提出的“魔輪”。如圖所示：輪子中央有一個轉動軸，輪子邊緣等距的安裝着12根活動短杆，每個短杆的一端裝有一個鐵球。亨內考認為，魔輪通過安放在轉輪上一系列可動的懸臂實現永動，向下行方向的懸臂在重力作用下會向下落下，原理轉輪中心，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輪中心。力矩減小，力矩的不平衡驅動魔輪的轉動。這個設計被不少人以不同的形式複製出來，但從未實現不停息的轉動。 ^[1] 

仔細分析一下就會發現，雖然右邊每個球產生的力矩大，但是球的個數少，左邊每個球產生的力矩雖小，但是球的個數多。於是，輪子不會持續轉動下去而對外做功，只會擺動幾下，便停在右圖中所畫的位置上。

15世紀，意大利著名的科學家、藝術家達·芬奇也曾設計了一個相同原理的類似裝置，但試驗卻未獲得成功。由此，達·芬奇敏鋭的認識到永動機是不可能製成的，他勸告永動機的設計者們：“永恆運動的幻想家們！你們的探索是何等徒勞無功，還是去做淘金者吧。” ^[1] 

17世紀，英國被關在倫敦塔下的犯人馬爾基斯的，也曾複製了一台類似的轉動永動機。轉輪的直徑約4.3m，有40個質量約為23kg的重球沿轉輪輻條向外運動，輪流驅使轉輪不斷運動。據説他曾向英國國王查理一世表演過這一裝置，國王見了十分高興，就釋放了他，其實這台機器由於有較大的自重，經推動後能依靠慣性維持一段時間的轉動，但終究還是要停止的。 ^[1] 

16世紀70年代，意大利的一位機械師斯特爾又提出了一個流水落差永動機的設計方案。他在設計時認為，由上面水槽流出的水，衝擊水輪轉動，水輪在帶動水磨轉動的同時，通過一組齒輪帶動螺旋汲水器，把蓄水池裏的水重新提升到上面的水槽中。他想，整個裝置可以這樣不停的運轉下去，並有效的對外做功。後來有人還設計了一台類似的永動機，但並沒有成功。 ^[1] 

熱力學發展初期，熱和機械能的相互轉化是人們研究的主題。在工業革命的推動下，工業上和運輸上都相當廣泛的使用蒸汽機。人們研究怎樣消耗最少的燃料而獲得儘可能多的機械能。甚至幻想製造一種機器，不需要外界提供能量，卻能不斷的對外做功，這就是所謂的第一類永動機。為了解決這個問題，促使人們都去研究熱和機械能之間的關係問題。邁爾（J.R.Mayer）第一個提出了能量守恆定律，而此定律得到了物理學界的確認，卻是在焦耳（J.P.Joule）的實驗工作發表以後。

焦耳在1840～1848年間做了大量實驗，測定了熱與多種能量的相互轉化時的嚴格的數量關係。以往熱的單位是cal（卡），功以erg（爾格）為單位，焦耳的實驗結果為1cal=4．184×10^7erg，這就是著名的熱功當量。此後，更準確的測定為4．184×10^7erg，即4．184J（焦耳）。焦耳實驗表明，自然界的一切物質都具有能量，它可以有多種不同的形式，但通過適當的裝置，能從一種形式轉化為另一種形式，在相互轉化中，能量的總數量不變。能量守恆轉換定律的建立，對製造永動機的幻想作了最後的判決，因而熱力學第一定律的另一種表述為：“不可能製造出第一類永動機”。由此可見，熱力學第一定律就是涉及熱現象領域內的能量守恆和轉化定律。