水氢发动机（一）滴水变石油可能吗？

由于审核不慎，上一篇推送中有个别描述和图片与事实不符，我深表歉意。现更正后重新发布本文。

近日，南阳日报发表了一篇文章，称一款新型的发动机——水氢发动机在本市下线。这种发动机只需要加水，它可以自动把水变成氢气，用作车辆的燃料。市领导亲身体会后，对新产品大加赞赏，VERY GOOD。

南阳日报关于水氢发动机的报道

其实，这种机器并不是什么新发明。从古至今，人们一直幻想制造一种机器，它不需要任何外界的能源，就能持续不断地对外做功，这种机器叫做永动机。从诸葛亮的木牛流马，到层出不穷的滴水变石油项目，几千年来各式各样的永动机花样成百上千，但是它们都无一例外的失败了。

永动机为什么不能制成？水变油、变氢气究竟可不可以？今天，先带大家了解一下这个问题的基础：能量守恒定律。

1历史上的永动机

十三世纪，法国人亨内考发明了一台“永动机”——魔轮，这可能是有据可查的永动机鼻祖了。

亨内考的魔轮

魔轮的结构是这样的：在一个轮子周围有锯齿状的挡板，每个挡板的凹槽处有一根木棒连接一个重球。右侧的重球距离轴线远，力臂大；左侧的重球距离轴线较近，力臂小。两侧的重球力臂不同，重力的作用下，这个轮子就会顺时针旋转，同时可以对外做功。

有人制作了这样的机器，发现它无法持续转动和做功，这个原因分析起来并不难：左侧的重球虽然力臂短，但是小球较多；右侧的球虽然力臂长，但是球少。最终两边依然是平衡的，所以轮子即使最开始被人推动了，最后也会在阻力的作用下慢慢停下。

魔轮的力学分析

文艺复兴时期意大利著名的画家达芬奇也是一位解剖学家、科学家，他设计过许许多多看似超越时代的机器，甚至包括直升飞机和潜水艇。不过，达芬奇在“永动机”问题上犯了和亨内考一样的错误。比如，达芬奇画的永动机草图是这样的：

达芬奇的永动机草图

在一个轮子里面有许多弧形的槽，每个槽里有一个小球。小球在重力作用下会滚动到每个槽的最低点，这样就会造成轮子轴两侧的重力力臂不同，轮子持续转动。有人按照达芬奇的设计制作了这样的轮子，一样没有发现永动。

2永动机骗局

如果说以上两位设计者是由于所处的时代限制，科学知识不足，犯了科学的错误，那么下面这些“永动机”的发明者则是十足的骗子，他们用变戏法的方法为大家演示自己的发明，用以骗取名声和金钱。

一个比较有名的永动机骗子是十八世纪的德国人奥菲列乌斯。他宣称自己发明了一台永动机，它可以每分钟旋转60圈，并可以提升16千克的重物做功。

1717年，波兰的一位勋爵检查了他的机器。他们把机器放在一个房间里转动，并派了两个看守看着大门。实验一共进行了3次，时间是14天，40天和60天，打开门之后发现永动机都在旋转。勋爵信以为真，就给奥菲列乌斯颁发了鉴定证书。俄国沙皇彼得大帝是一位对所有新鲜事物都十分感兴趣的人，他甚至与奥菲列乌斯签订协议，以10万卢布的价格购买他的机器。不过还没等交易进行，彼得大帝就去世了。

奥菲列乌斯靠这个伟大的发明过上了衣食无忧的生活。这个骗局直到许多年后，他的女仆与他发生了争执才被揭穿：原来是藏在机器隔壁的女仆在不停地驱动机器。

奥博士的骗局

随着科学越来越深入人心，1775年，法国专利局率先宣布：不再受理有关永动机的一切申请。现在，世界多数国家的专利局都有这样一条规定。

尽管如此，直到今天，永动机的发明还是层出不穷，只是魔术变得更加精巧。例如：曾有人发明了一种机器，宣称没有人能够让轮子停下。观众处于好奇心纷纷向相反的方向转动轮子，结果发现果然无法停下。实际上，设计者正是利用了这一点：当观众向相反的方向转动轮子的时候，就刚好给机器上了发条。

3滴水变石油

1984年，中国哈尔滨人王洪成发明了“水变油”的方法，也算是一种永动机，着实忽悠了许多人。

他经常在各种场合为大家表演。在四分之三的水中加进四分之一的汽油，再加进少量配置的“洪成基液”（或称“水基燃料膨化剂”）就可以变成“水基燃料”，一点即燃。

这项发明获得了许多人的认可，被全国许多媒体炒翻了天，闹剧一直持续到1993年。有一家报纸宣称“这是中国的第五大发明”，“为什么专利搁置了9年却无人问津？”国家有关部门甚至拨款60万元，供其研究使用。随后，他用这笔钱买了两套房子。

尽管他坚称自己的发明是科学成果，但是却拒绝公开配方。1995年全国政协八届会议上，何祚庥、郭正谊等4位科技界政协委员联名提交提案，呼吁调查“水变油”的投资及对经济建设的破坏后果。终于在1997年，在国务院的直接指挥下，王洪成的闹剧才最终收场，他本人也被哈尔滨中级人民法院判处10年徒刑。

4能量守恒

永动机为什么不能制成呢？这是因为一条科学界普遍认可的道理：能量是守恒的。

发现能量守恒的过程是很漫长的，许多科学家为此做出了努力，其中包括盖斯、迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人。

十九世纪俄罗斯的化学家盖斯提出了盖斯定律。

盖斯

他在做实验的过程中发现，一个化学反应，无论是一步完成，还是分几步完成，释放的热量总是相同的。

碳和氧的反应

比如碳和氧反应，可以直接生成二氧化碳，也可以先生成一氧化碳，然后让一氧化碳和氧气继续反应，生成二氧化碳。两种反应过程不同，但是释放的热量总和相同。这已经让盖斯隐约的感觉到：在化学反应中有一种守恒量，不会随着反应进行而发生变化。

德国医生和物理学家迈尔从另一个角度阐述了能量的守恒。

迈尔

他在随着船队出海的过程中给船员治病，他发现每当船航行到热带，船员的血液总是比较鲜红；而到达寒冷地区的时候，船员的血液就比较暗淡。那个时候人们已经知道：血液含氧量越多就越鲜红。迈尔据此推断：在寒冷地带，人们为了维持体温，必须更多的消耗氧气进行呼吸作用以提供热量，而在温暖地区，人体不需要这么多热量，呼吸作用弱一些，含氧量就高。他进而想到，能量是从太阳而来，转化为植物的生物能，再通过食物链进入人体，从而第一个阐述了能量的转化与守恒的观点。

与迈尔同时代的英国物理学家焦耳更加详细的阐述了能量转化的观点。

焦耳的实验装置

他让一个重物坠下，带动绳子做功。绳子使得柱子旋转，带动搅拌器让水搅动生热。他通过测量重物做功和水升温的关系，得到了著名的热功当量公式，这个公式现在的写法是：

1Cal（卡路里）=4.2J（焦耳）

卡路里是热量的单位，1卡路里等于将1克的水升温1摄氏度所需要吸收的热量。而焦耳是做功的单位，1焦耳等于用1牛顿的力推动物体前进1米所做的功。焦耳的研究使人们认识到：热量和做功都是能量的表现形式。

1847年，亥姆霍兹在前人的基础上，正式提出了能量转化与守恒定律：自然界的能量既不能产生也不能消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或者从一种形式转化为另一种形式，而在转化和转移的过程中，能量的总和保持不变。

根据这条定律，人们在热学领域提出了热力学第一定律：系统对外做功等于系统吸热和内能减少之和。

W=Q-ΔU

这条定律不难理解：系统对外做功就要消耗能量，能量要么来源于吸热，要么来源于自身的内能减少。如果一个系统不从外界吸收能量，而内能的减少又不可能是无限的，那么系统就不可能持续不断地对外做功。从此，永动机彻底被科学宣判了死刑。

美国物理学家费曼说过：如果有一条定律能够支配至今所知的一切物理学成果，那么这条定律就应该是能量守恒定律。

费曼

在油燃烧时，会生成二氧化碳和水，并且会放出热量。那么如果要把水变成油，就需要消耗能量。而且由于效率的原因，所消耗的能量会超过油燃烧时释放的能量，是得不偿失的。滴水变石油绝对不是加一点催化剂那么简单。

是否承认能量守恒已经成为科学和伪科学的一条基本界限，宣布自己造出永动机、能够水变油的人，不是智商不够，就是十足的骗子。

敬请期待下期：水氢发动机（二）水能变成氢气吗？

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李永乐老师：

北京大学物理与经济双学士，清华大学电子工程硕士；北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年，培养清华北大学生200余人，国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。

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