永动机是一种不消耗能量或在仅有一个热源的条件下便能不断运动且对外做功的设备。永动机的研究最早可以追溯到公元1200年左右。人们企图制造一种不消耗任何能量就能永远做功的机器，来满足社会资源需求。这种机器是不可能被制造出来的，其原因是违反能量守恒定律和热力学定律。永动机的研究主要有三类：第一类永动机，因设计原理违反了热力学第一定律，故名“第一类永动机”；第二类永动机：一种能在没有温度差的情况下，从某一巨大物质系统（如海水、空气）不断吸取热量而将它转换为机械能的发动机，因违反了热力学第二定律，故名“第二类永动机”；第三类永动机：完全消除摩擦力和其他耗散力的永动机。实质上依旧违反热力学第二定律。

研究永动机的失败，验证了能量守恒定律（热力学第一定律）和热力学第二定律的正确。推动了能量研究的发展。

公元1200年前后，永动机的研究想法最早起源于印度。这种思想从印度传到了伊斯兰世界，并从那里传到了西方。

第一类永动机是历史上出现的最早的永动机，研究第一类永动机的发明家希望设备可以在不消耗任何能源的条件下能对外持续做功。到资本主义发展初期，社会对动力需求越来越大，人力已经远远不能满足需要，一些人开始深入研究“第一类永动机”。

巴斯卡拉的轮子是有文字记载的历史上最早的永动机，它是由印度人巴斯卡拉（Bascara）提出的，设计原理是：中间一个轮子，在轮子上连接着很多汞轴条，组成永动机。巴斯卡拉希望在轮子转动时，轴条里的水银也能不停的移动，依靠轴条力矩的不平衡性来实现永动机的不间歇运转。巴斯卡拉的永动机设计方案对后人影响特别大，很多发明家都根据巴斯卡拉的设计方案进行改进。

13世纪哥特式建筑工程师韦拉尔·德·奥努克尔（Veral De Onukal ）提出来：在一个轮子的边缘上用合页等距离地安上七个木槌，给其一个原动力使轮子转动，在转动以后，木槌就可以交替打击轮缘，使轮子不停地转动。后来，德国的伍斯特二世侯爵发明了一种“永动轮”，利用轮内铅球下落的惯性力推动轮子转动下去。由于轮上轴条形状的特殊设计，当一边的球靠近轮轴一侧，另一边的球就会滚到远离轮轴的一侧。转动开始以后，轮内的铅球就会交替地往返于轮缘与轮轴之间，由于惯性的作用，这个轮子就会转个不停，成为一个“永动轮”。但是在实际应用中，这个“永动轮”转不了几圈就停下不动了。

古希腊科学家阿基米德（Archimedes）也曾研究过永动机，他设计了一个名为阿基米德尾旋汲水器的装置，装置的原理是：先用人力把最上面一只水槽装满水，然后让水一级一级地冲下来，冲动汲水器外面的一个个轮叶，从而转动汲水器。汲水器把水汲上来以后，又可以补充水槽里的水，这样螺旋汲水器就可以周而复始地运转。这一设计如果不考虑摩擦等损耗，同时改进装置，使水冲下来的功能全部利用，倒是有可能永动的。因为水先具备了一定的势能，然后让水的势能变为动能，利用动能再来提高水的势能，螺旋汲水器这样循环下去，其间并没有利用这些能量做别的功。但是，实际上摩擦损耗无法消除，这种汲水器也就不会永动。

13 世纪，法国人亨内考（Hennekau）设计出“磨轮”永动机。原理是：一个圆轮上连接着若干根可以活动的杆，每根杆上都连接着1个球。在“磨轮”顺时针转动时，下行杆和球会远离“磨轮”中心，这时下行力矩变大。与此同时，上行的杆和球开始靠近“磨轮”中心，力矩逐渐减小。后人也依据这个设计方案设计出很多永动机，但从来没有实现“永动”。原因是：在“磨轮”旋转过程中，左边的杆和球虽然力矩小，但是个数多，右边相对来说个数少，在旋转过程中，装置重心会不断移动，总有一个位置正、负力矩抵消，再加上摩擦、空气阻力会损耗能量，“磨轮” 一般转动几圈就会停下来。

1670年，英国人约翰・维尔金斯（John Wilkins）设计了一种磁力“永动机”。原理是：在小柱上放一个强力的四氧化三铁A。两个斜的木槽M和N叠着倚靠在小柱旁边，上槽M的上端有一个小孔C，下槽N是弯曲的。如果在上槽上放一个小铁球B，那么由于磁铁A的吸引力，小球会向上滚。可是滚到小孔处，它就要落到下槽N上，一直滚到N槽的下端，然后顺着弯曲处D绕上来，跑到上槽M上。在这里，它又受到磁铁的吸引，重新向上滚，再从小孔里落下去，沿着N槽滚下去，然后再经过弯曲处回到上槽里来，进行“永恒的运动”。可是小球在过程中不是在做单一的重力运动，它同时还受到磁力的作用，所以为了克服吸力，下滑速度是变慢的。当它滚到N槽的下端，无论如何都不能继续维持原来的那一种速度，也就没有办法绕着弯曲处D上升了。

达·芬奇（Leonardo di ser Piero da Vinci）设计了一个永动机机械，原理是：在顺时针旋转时，轮子右半面的球比左半面的球距离轮子中心远，因此右半面球产生的力矩更大，轮子就会沿着顺时针方向转动下去。但实际上由于右边的小球运动在凸面上，对轴的力矩大，而左边的小球运动在凹面上，对轴的力矩小，也存在正、负力矩抵消的问题，再加上各种摩擦及空气阻力，装置终将停下来。达·芬奇由此得出结论：永动机是不可能实现的。

一位物理学家设计的一种使用放射性元素的“永动机”。它是在密闭的玻璃球壳1中，放入玻璃管2，将具有放射性的钍盐3密封在玻璃管中，4是两片彼此紧靠的金属箔，5是贴在玻璃球壳内侧的金属板，金属板接地。原理是：当两片金属箔吸收到放射线而带同种电荷时将不停地排斥，每次排斥时向左右张开，触到金属板的内壁，立即收回，如此往复，形成金属箔的“永动”。但是放射性元素钍具有放射性，出射的电子被金属箔所吸收，金属箔带上同种电荷，互相排斥，金属箔张开。随着放射性元素钍不断地进行衰变，它所提供的出射电子的数量将不断减少，所以这种装置并非 “永动机”。

1842年荷兰科学家迈尔提出能量守恒和转化定律；1843年英国科学家詹姆斯·焦耳提出热力学第一定律，他们从理论上证明了能够凭空制造能量的第一类永动机是不能实现的。热力学第一定律的表述方式之一就是：第一类永动机不可能实现。第一类永动机的研究宣告失败。

经过无数次第一类永动机研究的失败，尤其在热力学第一定律提出后，人们不再进行第一类永动机的研究。一些发明家开始提出：既然能量不能凭空产生，是否能发明一种机械，它可以从外界吸收能量，然后用这些热量对外做功，驱动机械转动，这就是历史上有名的第二类永动机。英国科学家焦耳也曾被永动机所吸引，并为此做了多年的实验，最后他证明永动机不可能的“热功当量定律”。

为了从热量中提取功，从而制造出第二种永动机，詹姆斯·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）想象：有一个容器，里面充满处于热平衡的气体分子，有一个绝缘隔板将容器一分为二。容器内有一个精灵定期地打开隔板上的门，让速度比平均要快的分子往同一方向流动，一段时间后，两个空间就会产生温度的差异，可以用来做功。在理查德·费曼提出的“布朗式棘轮”中，热浴中的二极管允许一个方向的电流通过，而另一个方向的电流不允许，两个空间会产生温度差异，可用来做某些功，产生机械能。这些方案通常在两个方面失败：要么维持单向性需要耗费能量（需要麦克斯韦精灵做更多的热力学工作来测量分子的速度，而不是由温度差异引起的能量获得量），要么单向性是一种假象（布朗式棘轮会受到内部布朗力的影响，因此有时甚至会转错方向）。

1881年美国华盛顿地区甘姆埃（Gamme）首先设计出一种第二类永动机的设计方案，称为零度发动机。甘姆埃用液态氨做工作物质，从周围环境中吸取热量，氨由液态变为气态，在0℃时产生4个大气压的压强，可以推动活塞做功。他还进一步解释说，氨气在驱动活塞后因膨胀而冷却，又会自动凝结于容器，于是就可循环地工作下去。零度发动机中的液氨汽化来源于海水的热能，而不是发动机所带的燃料。1881年他的设计得到美国海军总工程师的支持。经过历史验证，甘姆埃设计的永动机最终无法实现，因为液氨虽然被暂时汽化，但没有低温热源无法再重新液化，循环无法进行，因此无法推动设备持续的运转。

1824年，法国工程师萨迪·卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot）设计了一种工作于两个热源之间的理想热机卡诺热机，卡诺热机从理论上证明了热机的工作效率与两个热源的温差相关。卡诺得出结论：热机必须在两个热源之间工作，热机的效率只取决于热源的温差，热机效率即使在理想状态下也不可能达到100%，即热量不能完全转化为功。1850年，克劳修斯在卡诺的基础上提出了热力学第二定律：在没有某种动力的消耗或其他变化的情况下，不可能使热从低温转移到高温。次年，开尔文给出了热力学第二定律的另一种表述方式：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用功而不产生其他影响。热力学第二定律宣告了制造第二类永动机的不可能性。

热力学第一定律和第二定律已经否定了第一类永动机和第二类永动机的产生，人们又将研究方向转向物质循环。

1990年，美国人在沙漠中建造了1公顷的温室，然后参照地球的生物圈，分别在温室中加入空气、河流、树林、动物和人等各种要素，该温室称为生物圈2号。生物圈2号这样的系统，可以称为半孤立系，它与外界没有物质交换, 但是有能量交换， 人们希望外界输入的能量能够维系其内部物质的自循环。这个实验违反的同样是热力学第二定律。热力学第二定律不仅规定了能量转化的方向，也规定了物质转化的方向。生物圈2号中的物资不能完全回收，每个循环中都会有垃圾产生，即参加循环的物质会越来越少，最后系统将无法循环而崩溃。深入分析发现，生物圈2号违反了热力学第二定律。热力学第二定律是增加原理，不仅说明了能量转化的方向，同样说明了物质转化的方向。

由于制造永动机毫无结果，使人们相信永动机是不可能制造出来的，并且推出了能量守恒定律。虽然永动机的设想没有实现，但在科学家深入探索永动机的过程中，对热本质的认识不断深入，促进了热力学科的发展。虽然“永动机”的研究一无所获，但荷兰科学家西蒙·斯蒂文于16世纪末17世纪初在研究永动机的过程中，发现了斜面上力的平衡定律。

20世纪50年代，在中国也出现了一场发明永动机的热潮。由于太多人热衷于研究永动机并以此申请专利，王竹溪教授在1953年10月写了一篇《永动机是不可能造成的》论文，发表在《物理通报》上。中国科学技术出版社出版了《永动机问题》一书，中国青年出版社也出版了《有永动机吗？》。在美国由于太多人申请永动机方面的专利，美国法院在1990年判定专利部门不再接受任何永动机方面的专利申请。法国科学院在1775年也出台过不接受审查永动机方向的专利，在《法国科学院的历史》中有如下记载:“这一年科学院通过决议，决定拒绝审理有关下列问题的解答：倍立方，三等分角，求与圆等面积的正方形，以及表现永恒运动的任何机器。”

1842年，荷兰科学家迈尔提出能量守恒和转化定律；1843年，英国科学家焦耳提出热力学第一定律。能量守恒和转化定律是19世纪的重大发现之一，它有3种表述：永动机不能造成；能量守恒和转化定律以及热力学第一定律。由理论上证明：能量守衡是物质运动的普遍规律之一，能量既不能被创造，也不能被消灭。因此，第一类永动机不可能实现。第一种永动机违反了“热力学第一定律（能量守恒定律）”。后来，德国人鲁道夫·克劳修斯和英国人开尔文提出热力学第二定律：从单一热源吸取热量使之完全变为对外有用的功而不产生其他影响是不可能的，从而结束了第二类永动机的研究。