設計永動機有著非常悠久的歷史，從中世紀一直到文藝復興時期。第一個有據可查的永動機設計是在12世紀，輪子嵌有水銀管，當輪子轉動時，水銀管會來回流動。其他類型的超平衡輪一直延續到文藝復興時期，并按照相同的原理工作。還有一些設計使用了磁鐵，例如在一個坡道中，一個球被磁鐵拉到頂部，然后從一個洞中落下并再次滾到底部，這個過程循環重復。

這些機器都沒有真正起作用，在每種情況下，我們都可以找到設計者忽略的一些微妙的物理特性。超平衡輪在一側向外推動質量，但同時增加了這些質量之間的間隔，因此轉動慣量不變。一塊足夠強的磁鐵將球拉上斜坡也可以防止它從那個洞里掉下來。

熱力學第二定律指出，熵會隨著時間的推移而增加。換句話說，能量將傾向于盡可能均勻地分散自身，達到最大熵的狀態。所有機器都在重新分配自身時利用這種能量流來工作。第二類永動機聲稱能夠利用已經均勻分布的能量庫，有效地逆轉熵的增長。

第三類永動機

在19世紀初，薩迪·卡諾描述了最高效的熱機，它是活塞腔內氣體的一系列膨脹和收縮，當熱量在不同溫度的儲層之間流動時，它將提供最大可能的能量。至關重要的是，卡諾循環是可逆的，以完全相同的能量反向驅動活塞，它將能量從冷傳遞到熱。原則上，卡諾熱機可以從溫度梯度中提取能量，然后再次將其泵回，使其成為候選永動機。

但即使在這種最理想的情況下，能量輸入與能量輸出的比率也完全一致，沒有額外的能量被提取。卡諾循環原則上是一個永動機過程，但不會違反任何熱力學定律，所以它不是第一類或第二類永動機。事實上，它有時候被稱為是第三類永動機。

但事實上，消除任何能量損失不僅僅是一個工程挑戰，從理論上也是不可能的，因為它被量子力學所禁止。

由于所有粒子的內在量子隨機性，正如海森堡測不準原理所表達的那樣，一切都在運動。內部零件總是振動，產生一些摩擦和內部熱量。即使重新捕獲熱量，即使是隔離的系統的外壁也必須輻射，緩慢泄漏能量。當然還有引力輻射，它會慢慢削弱天體系統的“永動機”。

對于第三種永動機來說，最好的情況是非常緩慢地減速到靜止。