热力学第一和第二定律(能量守恒定律公式)
热力学三定律是能量守恒、熵增定律和绝对零度不可能。人们对热力学定律的认识也是一个修正永动机思想的过程，是人类“美好思想”不断“碰壁”的过程，对个人成长具有深刻的启示意义。
永动机的思想起源于印度，并在公元1200年左右通过伊斯兰世界传播到西方。欧洲最早的永动机方案是由法国的Villardde Honnecourt(一个13世纪的人，有250张草图)提供的。
汉高想象有许多球连接到一个有限位置装置的轮子上。当球在右侧时，球远离车轮中心，产生更大的扭矩。当球到达左侧时，连杆靠近篮筐，产生一个小力矩。汉高希望这个轮子可以在没有额外动力输入的情况下保持运动。
图1亨内考永动机(a)草图(约1203年)和(b)复原图
当然这是不可能的，因为右边球的力矩大，但是球的分布稀疏。左侧，球产生的力矩虽然小，但是比较密集。所以车轮总有一个平衡的状态，这也意味着车轮不会永远不动。
文艺复兴时期，意大利著名艺术家达芬奇(1452-1519)也设计了一台永动机，如图2所示。在这台永动机中，轮子的辐条被做成滚珠滚动的轨道，滚珠通过曲线设计在其中滚动。如图2b所示，车轮左侧的滚珠远离车轮中心，产生的扭矩较大，而右侧的滚珠靠近车轮中心，产生的扭矩较小。本质上，达芬奇使用的是和轩尼诗一样的原理，但是经过实验，达芬奇发现轮子在初始运动后很快就会停在某个地方，不可能实现永动机。于是他在设计旁边写了一段话:
“每一个作用力都有一个相反的相等的反作用力”
对于任何运动，总有一个相反的、大小相等的反作用力。
这句话含蓄地表达了永动机的不可能。牛顿第三定律指出，两个相互作用的物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。达芬奇的注释似乎表明达芬奇在牛顿之前近两个世纪就已经实现了牛顿第三定律。
图2达芬奇永动机(a)草图(约1203年)(b)复原
虽然达芬奇很早就否定了永动机的想法，但是人们对永动机的尝试从来没有停止过，甚至到现在还有各种各样永动机的设计。
这种永动机代表了一种“不劳而获”的思想。随着热力学第一定律的发现，这种永动机被否决了。在此期间，德国医生朱利叶斯·罗伯特·冯·迈耶(1814-1878)、英国物理学家焦耳(1818-1889)和德国物理学家亥姆霍兹(1821-1894)做出了重要贡献。
图3热力学第一定律的创始人
迈尔是一名德国医生。1840年，他作为一名船医到达印度尼西亚，一些船员因为水土不服而生病。德国常用放血疗法治疗水土不服，放出的血液通常是黑红色的，但迈耶发现此时船员的血液仍然是鲜红色的。从这一现象出发，迈耶认为血红色是由于氧气丰富，氧气在体内不断燃烧产生热量。在印尼，因为气温高，人不需要太多热量，所以氧气得以保留，血液呈鲜红色。顺着这个思路，梅耶尔突然打开了一扇他从未意识到的门。迈耶认为肉和蔬菜是人体热量的物质基础，肉和蔬菜的热量是怎么来的？迈尔又想到了光合作用。迈尔想的越来越多，从太阳能到植物能、动物能、人类食物、氧化反应、人类热量等等。最后，归结到一点:能量已经被转化了。
迈耶回到欧洲不久，就写了《论力的定量和定性决定》(1841)(百度百科翻译:论无机世界的力，在德国指力具有能量)。迈耶在这篇论文中提出了“万物产生，万物不变”和“因等于果”等重要思想，测得热的力学当量为365 (kg.m .你知道，在此之前，人们对于热、燃烧等现象还停留在热量论，能量转换、守恒等思想很难被人们接受。梅耶尔将自己的研究成果提交给了《物理学报》(Annalen der Physik)，但很快遭到拒绝，并被嘲讽为疯子。
与迈耶同时代的英国物理学家焦耳也注意到了此时的能量转换。1843年，焦耳设计了一个巧妙的实验，更精确地确定了热的机械当量为428.9(千克。米/千卡)。后来，热的机械当量分别在1845年和1850年被更精确地确定。焦耳的风头完全盖过了迈耶。
图4焦耳热机械当量的测量
1847年，另一位德国物理学家亥姆霍兹(早年从事医学和生物学研究)发表了《力的守恒》一书，他在书中主要提出了三个观点:1 .所有的科学都可以归于力学；2.它强调力传递的能量或它所做的功来度量力；3.能量是守恒的。亥姆霍兹第一次把孤立系统中机械能守恒用数学表达出来，把能量的概念推广到热学、电磁学、天文学和生理学领域，提出了各种形式的能量相互转化和守恒的思想，这就是热力学第一定律。根据这一定律，亥姆霍兹明确提出永动机的设想不能实现，是因为能量守恒，不能由空产生。
人们把违反热力学第一定律的永动机称为第一类永动机，以区别于后来其他不违反热力学第一定律的永动机方案。比如第二种永动机，人们承认能量守恒，但只希望永动机能由海洋、大气甚至宇宙提供，在这些取之不尽的能源下实现永动机。第二种永动机的想法最终被热力学第二定律否决了。
热力学第一定律提出的时期，也是蒸汽机蓬勃发展的时期。然而，人们对蒸汽机的低效无能为力。一开始纽卡门机的效率按燃料的热值计算只有0.5%，也就是说，它烧了1000吨煤，只有5吨煤做了功，剩下的995吨白白浪费了。即使在1840年，一台制作精良的冷凝式蒸汽机的效率也只有8%左右，实在让人难以接受。也许这就是人们向往第二类永动机的原因。
历史上很少有第二类永动机的案例。20世纪七八十年代，英国兽医和发明家约翰·詹吉(1831-1894)设计了第二型永动机的样机，并成功说服美国海军总工程师和加菲尔德总统支持他的设计。贾姬的想法是这样的:在船上安装一个大容量的液氨容器，然后利用周围空气体的热量制造氨气。氨气膨胀后推动活塞做功，然后通过与海水接触的冷管让氨气冷却，使氨气变成液氨。整个循环不需要任何外部燃料，只依赖大气和海水的热源。
这个诱人的想法从50年前卡诺的研究中就被轻易否定了。1824年，被誉为法国“热力学之父”的尼古拉斯·莱纳德·萨迪·卡诺特(1796-1832)发表了《论火的力量》，提出了卡诺定理。他指出，理想热机的热效率是
η=1-T2/T1 (1)
其中η为热机效率，T2为低温热源，T1为高温热源(绝对温度)。这说明热机的效率取决于低温和高温两个热源，温差是热机热效率输出的前提。对于Gaji设计的第二种永动机来说，液氨变成气体后，不能只靠海水变成液氨，因为氨凝结所需的温度是-330C。也就是说，Gaji所谓的永动机只能做一个冲程的运动，而不能产生一个循环。随着液氨的逐渐气化，嘎吉永动机终将停止。
卡诺去世46年后(1878年)，他的论文重新受到克拉佩隆(1799-1864年)、开尔文爵士(1824-1888年)、克劳修斯(1822-1888年)等人的关注。其中，Clabellon建立了理想气体的状态方程，
PV=nRT (2)
其中P代表气体压力，V代表体积，N代表摩尔数，R代表摩尔气体常数，T代表绝对温度。卡诺循环也根据示功图进行了描述，为热力学分析奠定了重要基础。
图5瓦特指示器。1800年，瓦特发明了蒸汽指示器，其中的曲线是气体的P-V曲线，这为克拉贝隆(1834)的研究提供了基础。
1850年，克劳修斯引起了克劳修斯的注意，他指出，如果卡诺定律成立，就必须满足热力学第二定律，即“不可能将热量从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化。”克劳修斯还引入了“熵”的概念。一般来说，熵代表热力学系统中分子运动的混沌程度:系统温度越高，分子运动越混沌，熵值越高；相反，系统温度越低，分子运动越有序，熵值越低。因为热量只能从高温物体传递到低温物体，而不能自发地从低温物体传递到高温物体，所以系统总是在自发状态下沿着温度上升的方向发展，热力学第二定律也叫熵增定律。
1851年，爱尔兰物理学家开尔文也独立地给出了第二定律的另一种描述:不可能制造出具有循环作用的热机，它从单一热源获取热量并将其转化为功而不引起其他变化。根据卡诺定理，功可以完全变成热，但热不能完全做功(热机效率不能达到1)，从高温热源到低温热源总会伴随着散热损失。第二类永动机通常被描述为“从单一热源吸收热量，使其完全有用而不受任何其他影响的热机”，这显然与热力学第二定律相矛盾。
热力学第一定律和第二定律的诞生彻底终结了第一类和第二类永动机，但人们对美好生活的追求永远不会停止。人们期望设计出一种没有无用损伤、热效率100%的永动机，称为第三类永动机。
从卡诺热机效率公式(1)可以看出，当低温热源T2等于绝对零度(-273oC)时，热机效率可以达到100%。然而，T2=0是不可能的。根据状态方程(2)，当T等于0时，要么P=0，要么V=0。事实上，气体总是有一定的体积和压力。绝对零度是物态方程的外推结果，不是真实情况。而绝对零度达不到热力学第三定律，是第三类永动机的终结者。
与第一和第二定律相比，第三定律的提出要晚得多，可能是在1906年至1912年由德国化学家瓦尔特·能斯特(1864-1941)提出的。恩斯特在1912年的一篇论文中写道:“任何程序都不可能在有限的几步内使等温线T=0”，也就是说，不可能达到绝对零度。后来，马克斯·普朗克(1858-1947)给出了热力学第三定律的另一种表述:在内部平衡状态下，所有纯结晶均质物质在绝对零度时的熵为0(普通热力学只关心熵的变化，不关心熵的值)。
简单来说，第三定律可以由卡诺定律推导出来，看似意义不大，其实不然。恩斯特定律为化学家根据测热来确定化学反应的自由能提供了依据。此外，恩斯特在实验中发现低温下比热显著下降，并大胆预言绝对零度时比热可能消失，这为量子力学的发展提供了强大的推动力。
第三种永动机不从力学角度考虑(太难了)。一般认为，理想摆在不受阻力的情况下，是第三类永动机。此外，有人把“太阳-行星”系统和“原子-电子”系统视为第三类永动机。也许它们与环境没有能量交换，但这不一定是事实。
上世纪90年代，美国人在亚利桑那州的沙漠中进行了一项名为“生物圈2号”的实验。该项目占地1.27公顷。以北回归线与北回归线之间的生态系统为模型，拥有热带雨林、稀树草原、海洋、沼泽、沙漠等五个野生动物群落，以及集约农业区和居民区两个人工群落。生物圈二号被构造成一个全封闭的系统，设计有两个覆膜空的房间，可以随着压力的变化而改变容积，因此被称为生物圈二号的“肺”。
图6生物圈2号
生物圈二号从1991年到1993年进行了两次实验。不幸的是，研究人员发现生物圈2号中氧气和二氧化碳的比例无法自行平衡。水泥建筑也会影响正常的碳循环；此外，物种多样性相对单一，缺乏足够的分解者，大部分动植物无法正常生长或繁殖，灭绝速度快于预期。经过广泛讨论，确认“生物圈2号”实验失败。
生物圈二号希望建立一个可以永远移动的封闭系统(这个系统也被认为是Tai 空，建立封闭生物圈的先驱)。这个系统可以自行循环，是一个“热力系统”，转换效率100%。也许生物圈二号恰恰违背了热力学第三定律，最终导致了它的失败。
回顾三种永动机的崩溃和热力学三定律，或许可以得到一些个人成长的启示:在生活中，只有付出才能得到回报，因为根据能量守恒，任何不劳而获的想法都是徒劳的；
热力学第二定律告诉我们，自然系统的演化是有方向的，我们做什么都会产生永久的影响。我们在做某些决定的时候，一定要更加小心，因为一旦做了相应的事情，就无法回到原来的状态。这大概就是我们常说的“世界上没有后悔药”。也深刻地启示我们，如果我们做的事情是符合社会价值观的，是对社会和民族有益的，其好处迟早会显现出来，反之，其坏处也迟早会影响到我们的生活。
热力学第三定律告诉我们，不要期望我们的努力会得到100%的回报。凡事不如意是客观规律，要学会带着遗憾和平相处。大自然就是这么小气，但是不要气馁。就像生物圈二号一样，是大自然迫使人们在一个相对封闭的空房间里，留下一扇通往外界的门！
