永动机还是热机？——几种益智玩具的物理原理，本文主要内容关键词为：热机论文,永动机论文,几种论文,原理论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 魔力水车
在中国科学技术馆一楼大厅的左侧，矗立着一个直径达2m的“魔力水车”（图1）。它没有任何动力装置，下方水槽中的水也不流动， 但却在不停地旋转着。其形状颇似在江河边上靠水流冲击而转动并向高处提水的水车。人们称它为“魔力水车”，也许因为它像一个第一类永动机。那么，它究竟是怎样不停地转动的呢？
摸一摸下方的水槽，原来里面盛的是热水，水温达60℃。难道“水车”是从热水中吸取热量驱动的吗？我们知道，仅从单一热源吸热做功并对外界不产生任何影响而不停运动的机器称为第二类永动机。这个“魔力水车”当然不会是第二类永动机。
仔细观察，可以发现车轮边上缘的叶片的形状，在水中与空气中不同（图2）。原来在空气中弯曲的叶片，在轮的左侧进入热水后， 受热而伸直，并向左侧用力划水，从而反冲水车，使之沿逆时针方向转动。当叶片在轮的右侧转出热水后，又降温并恢复到原来的弯曲状。
可见“魔力水车”的“魔力”完全在于叶片可变形的那一部分。这部分是由一种高科技产品——记忆合金构成的。科技馆中“水车”上用的是铁基镍钛合金，它的母相温度约为60℃。其特性是低于此温度时，合金发生形变；回到母相温度时，则又呈伸直状态。
于是我们看到，合金叶片在右侧出水时，即形变弯曲，当转到左侧进入热水后，则伸直并划水做功。
可见这辆“魔力水车”是一个典型的热机。它的记忆合金叶片在左侧入水时从高温热源（热水）中吸取热量，并伸直划水做功以克服“水车”上的各种阻力，从而推动“水车”逆时针转动。当转到右侧出水时，叶片在空气（冷源）中冷却并放出废热，从而完成了一个工作循环。
2 “自动”转盘
在科技馆，还有一个如图3所示的圆盘，其下部也浸在热水中， 热水并不流动。圆盘中也没有任何动力装置却绕其对称轴心O 不停地转动着，像一个永动机。其实，这也是一个利用记忆合金的特性而制成的益智玩具。下面简述其动作原理。
在对称转轴O左侧的O′轴也是一个固定在圆盘上的偏心转轴。在O′轴上向外辐射出五根由记忆合金丝绕成的弹簧，它们的末端等距地拴在转盘的边缘，五根弹簧可绕O′轴转动，从而可带动整个圆盘绕O转动。当一条弹簧在左侧转入热水时，吸热升温伸长（如同“魔力水车”上的记忆合金叶片），因而整条弹簧在水中形成悬垂线状。当这个弹簧转动到右侧出水时，即降温变形拉直而缩短。由于O′轴偏离转盘的对称中心O轴，故弹簧在转动并缩短的过程中对转盘边缘形成拉力。 这个拉力又对O轴形成一个方向与纸面垂直向上的力矩。随着转盘的转动，弹簧也不断缩短，力矩即对转盘做功，从而克服各种阻力，推动转盘沿逆时针方向转动不停。
可见，转动消耗的能量是热水提供的，因而不是第一类永动机。弹簧在热水（热源）中吸热，在空气中做功并把废热放到空气（冷源）中，因而转盘是一个地道的热机，而不是第二类永动机。
3 “自动”饮水小鸭
文献[1]中介绍了一个巧思绝伦的经典玩具——自动饮水小鸭。 原文简捷，摘抄如下。
“在你眼前的是一只自动饮水小鸭玩具，你可以看到，它一会儿低下头去，把头埋于水中，一会儿又抬起头来，反复不停地低头‘饮水’和抬头‘换气’。但这个小鸭身上却没有发条、电动机或其他动力装置。它的构造如图4所示。在左边的玻璃泡内装的是液体乙醚， 在鸭头的玻璃泡上面贴有吸水纸。取一根玻璃管，一端与小鸭头部相连，另一端插入尾部的玻璃泡内，并用树脂涂在玻璃管与玻璃泡的连接处，以保持内部空腔密封完好。请仔细观察在小鸭饮水的过程中，鸭子体内液体的流动情况，并找出小鸭自动饮水的奥秘”。
按文献[1]作者介绍，高中学生对这一实验非常感兴趣。 几经思考和讨论，他们终于揭示出其奥秘所在。原来小鸭头上吸水纸中的水的蒸发以及小鸭体内乙醚的蒸发和凝结，使得小鸭的重心来回移动从而导致它不断地“自动”饮水。
现在从能量的角度做些分析。
显然，与前面的两个玩具不同，这里没有作为热源的热水，那么小鸭往复运动所消耗的能量从哪里来呢？当小鸭头部吸水纸中的水蒸发时，从头部内吸收热量并排放到空气中，而使头部降温，从而使头内乙醚蒸气凝结，小鸭体内乙醚蒸气降压。于是小鸭臀部液体乙醚得以蒸发，并从外界吸取热量。可见，这又是一种极为巧妙的热机，它从高温热源（空气）吸热，做功，而在小鸭冷却了的头部（冷源）向外放出热量，从而完成了工作循环，其结果是杯内的水变成了蒸气，并产生了动力。
自动饮水小鸭的奥秘给我们一个启示：由于水的消耗而产生了动力。利用这个原理，就可能制造出在水面自动航行的船，它不需要燃料，也无需风力推动，看上去好像是一部永动机。但它是在水变为蒸气的过程中得到动力的，所以不是第一类永动机。另外，在船自动航行过程中，水不断蒸发，从而给外界留下了不可消灭的影响，因而它也不是第二类永动机。
4 热机的效率
由热力学理论可知，热机的效率η可写为
η＝1－T[,2]／T[,1]
其中T[,1]和T[,2]分别为热、冷源的热力学温度。比较上述三种玩具，自动饮水小鸭，其冷、热源的温差仅为几K，因而效率最低。 很容易理解，效率越低的热机制造和使用就越困难，效率低就意味着可利用的热量相对较少。例如冷、热源温差较大的蒸汽机，早被人们制造出并被广泛使用。而海洋底部和海面的温差不大（约为20K）， 制造工作于其间的热机就困难重重。自动饮水小鸭却可在温差极小的情况下运动自如，可见其结构的确巧思绝伦。顺便指出：上述海洋温差热机的工作物质也是易挥发的液体，与自动饮水小鸭相似。可以设想，前者的研制可能受到了后者的启示。