永久機関
永久機関(えいきゅうきかん、英: perpetual motion machine)とは、外部からエネルギーを受け取ることなく、外部に仕事を永久に行い続ける装置である。
古くは単純に外部からエネルギーを供給しなくても永久に運動を続ける装置と考えられていたが、そのような装置に特別な意味はない。たとえば、慣性の法則によれば外力が働かない限り物体は等速直線運動を続けるし、惑星は角運動量保存の法則により自転を続ける。しかし、これらは外部と相互作用をしない限りその運動状態を変えないだけであり、外部に対しても何らの変化を与えることがない。
以上から、単純に運動を続けるのではなく、外に対して仕事を行い続ける装置が永久機関と呼ばれる。
これが実現すれば仕事を得ることに関して、石炭も石油も一切不要となり、エネルギー問題などは発生しない。18世紀の科学者、技術者はこの永久機関を実現すべく精力的に研究を行った。しかし、18世紀の終わりには純粋力学的な方法では実現不可能だということが明らかになり、さらに19世紀には熱を使った方法でも不可能であることが明らかになった。「永久機関は実現できない」ことが証明されたが、これらの研究により、物理学(特に熱力学の分野)を大いに発展させることになった。
熱力学第一法則(エネルギー保存の法則)を破らずに実現しようとしたのが第二種永久機関(だいにしゅえいきゅうきかん、英: perpetual motion machine of the second kind)である。仕事を外部に取り出すとエネルギーを外部から供給する必要ができてしまう。そこで仕事を行う部分を装置内に組み込んでしまい、ある熱源から熱エネルギーを取り出しこれを仕事に変換し、仕事によって発生した熱を熱源に回収する装置が考えられた。このような装置があればエネルギー保存の法則を破らない永久機関となる。
熱エネルギーの回収を行うので熱源や周囲の温度は維持される。そのため空気や海水塊自体の持っている熱を取り出して仕事をし、他に熱的な影響を与えない機械ともいえる。例えば、外部の温度が20°Cとして、装置に熱を取り込み仕事をさせる。その時に外部温度は20°Cから19°Cに下がる。装置に仕事をさせると熱が発生するので、その熱を外部に返すことで、外部温度は19°Cから20°Cに戻る。
例として、海水の熱により推進する仮想的な船の例で説明する。この船では、エネルギー保存の法則により、取り出した運動エネルギー分温度の下がった海水の排水が出る。これを船の近傍に捨てるとする。一方では、船の推進の摩擦による熱が発生し、船の周りに温水ができる。スクリューで海の水をかき回すと、その冷水と温水が混じり周囲の温度と均一になり、他に(熱という意味での)影響を与えないように見える。ただし、加速時には船の近傍の海水は周りより冷たくなり、減速時には船の近傍の海水は周りより熱くはなる。