自古以来，人类通过安装在河流上的水车利用水力抽水或者推动磨子磨粉。有人设想："如果用水车运转抽上来的水再来推动水车，这样不需要河流，水车不也能永远运转下去了吗？"(右图）。这个设想如果实现，自己提供动力源（水）独自不停运转的梦幻装置（水车）就诞生了。

像这个水车那样，无需外力、无需提供燃料而能自发地不停运转的装置，称为"永动机"。 在16世纪后半叶，以欧洲为中心，研究永动机曾经风靡一时（见左页插图）。但现实是残酷的，没有一例获得成功。

一些著名的科学家也进行过永动机的研制。以提出波义耳定律（描述气体的体积和压力之间的关系）而闻名的英国化学家罗伯特·波义耳（Robert Boyle，1627～1691），研制了利用毛细现象的"波义耳永动机"(见左页图2）。科学造诣很深的文艺复兴时期的画家列昂纳多·达·芬奇（1452～1519）也画有永动机的草图，但是，他得出的结论是，"这样的装置是不可能的"。

这些装置看上去好像是能够永远运动下去的……

就像本文开头介绍的水车那样，单从永动机的结构上看好像是能够永远运动下去的，但是实际上却不可能。这就说明其中肯定有漏洞，也就是说，存在和自然界的法则相矛盾的地方。

让我们看看左面永动机中的装置1。这个装置的圆盘能够像风扇那样旋转，圆盘内部的不同区域内放有铁球。圆盘的右侧，铁球沿着区域的隔板从中心向边缘运动。而左侧，铁球沿着区域的隔板从边缘回到中心。就像跷跷板，如果一个人坐在一边的顶端，另外一个人坐在另一边的当中，即使两个人的体重相同，跷跷板也会倒向顶端有人坐的那一边。铁球推动圆盘旋转的力（物理学上称为力矩），离开中心越远力矩越大。这样，圆盘的右侧永远比左侧的力矩大，圆盘就会顺时针旋转。

这种装置安装完毕之后，用手沿着顺时针方向推它一下，圆盘就会由于它内部的球产生的力矩一直旋转下去……人们起初是这样设想的，但其实，当推它的手一离开圆盘，它就停止旋转了。这是因为实际上右侧的球使圆盘沿顺时针方向旋转的力矩和左侧的球使圆盘沿逆时针方向旋转的力矩是相同的（参见下页图）。圆盘受到的顺时针方向的力矩和逆时针方向的力矩相平衡，它不能够自发地旋转下去。

左页图所示的其他永动机，其中的重力、磁力和浮力等力，在某种状态下达到整体平衡，装置就不能运转下去了。

能量的总和是不变的，既不会增加，也不会减少！

圆盘旋转方式的永动机，一旦失去启动时的能量就停止旋转。可是即使圆盘不具有使自己不断旋转的动力，那么，这个"启动时的能量"又是怎么消失的呢？

解决了这个问题的是英国的物理学家詹姆斯·焦耳（1818～1889）。他用实验证明了搅动水槽中的水，水温会随着搅动而上升。也就是说，搅动这种运动转换成了热，加热了水。在物理学上，搅动水这种"功"，表现为可以和加热水的"热"等价（可以转换）。功，简单地说，就是给物体施加力，使它运动。

在圆盘旋转式永动机的例子中也是同样，推动圆盘做的功，转换成了圆盘旋转过程中的摩擦等产生的热，并没有消失。如果能够精确测量，就会发现装置周围的气温应该略有上升。

德国物理学家尤利乌斯·罗伯特·冯·迈尔（1814～1878）和赫尔曼·冯·亥姆霍兹（1821～1894）都考察过功和热的关系，结果导出了"能量守恒定律"，也称为"热力学第一定律"。它的内容是："考虑完全独立于周围环境的空间或者物体，它的内能即使形式发生转变，总量依然是保持不变的。"但是热力学※1也只是研究热和能量性质的物理学的一个分支。

所谓的完全独立于周围环境的空间或者物体，就比如是周围用隔热材料完全密封，完全不和外界交换气体和热的房间。在这个房间里，无论是燃烧物体还是做其他事，存在于其内部的总能量前后保持不变。如果这个房间不独立于周围环境，热或者物质泄漏到外界（或者从外界渗入），那么房间里的能量就会相应减少（或增加）。

能量守恒定律，反过来也可以这样说，人们把即使形态发生改变、但总量既不增加也不减少的那种"东西"称为"能量"。这样，到了19世纪，人们终于确立了在今天已经是非常普通的概念："能量"。"驱动物体的能力、热，都是能量的一种"这个观点，成了物理学历史上的一个转折点。