利用熱力學第一定律分析一種磁力偽永動機

胡君輝，陽　麗，白克釗

(廣西師范大學　物理與科學技術學院，廣西 桂林　541004)

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利用熱力學第一定律分析一種磁力偽永動機

胡君輝，陽麗，白克釗

(廣西師范大學物理與科學技術學院，廣西 桂林541004)

第一類永動機是一種想象中的不需外界輸入能量便能夠不斷運動并且對外做功的機器。最近某些空想者聲稱能制造出磁力永動機。文中針對他們提出的一種以磁力和重力為驅動力的“永動機”，通過利用熱力學第一定律分析證明該“永動機”無法實現永動。任何科學研究都必須遵循自然規律，違背熱力學相關理論的永動機是不可能造出來的。對于偽科學的思考和批判，不僅有利于人們正確地認識科學，而且有利于人們正確地認識世界。

第一類永動機；熱力學第一定律；力矩；能量

在大學物理熱力學教學中，熱力學定律與日常的生活較遠，不少學生對于抽象的熱力學定律難以理解，因此在教學中應適當地讓學生多分析實例，讓學生積極主動地思考、討論并結合新課教學。本文利用熱力學第一定律分析具有代表性的永動機實例，結合力學和能量定律，通過推導證明永動機是不可能實現的。

永動機的設想起源于公元1 200年前后，歷史上很多人曾經熱衷于研制各種類型的永動機。在熱力學體系建立之后，人們通過嚴謹的熱力學定律證明了永動機是不能實現的。第一類永動機是指某物質循環一周回復到初始狀態，不吸熱而向外放熱、源源不斷地對外做功的機器，它違反了熱力學第一定律，故稱為“第一類永動機”。從單一熱源吸熱使之完全變為有用功而不產生其他影響的熱機稱為第二類永動機，由于自然過程(如機械能和內能的轉化過程)具有方向性，所以也不可能制成。1954年《科學通報》創刊號上，中國科學院就宣布了“永動機”是不能成立的，希望發明家把他們的精力轉移到切合實際的方面去。進入新世紀，很多空想者都聲稱制造出了永動機，但是迄今為止，沒有一部永動機被實際制造出來，也沒有任何一個永動機的設計方案能經受住科學的檢驗[1-3]。

1　偽永動機實例

空想者描繪的永動機以磁力和重力為驅動力[4]。如圖1所示的機器主要由一個大型條形磁鐵和周圍多個小磁鐵組成，小磁鐵壓縮彈簧沿著各自的軸線運動。周圍的小磁鐵受到中間大磁鐵的磁力排斥，磁力排斥推動壓縮彈簧，右側小磁鐵在排斥力的作用下遠離轉軸(材料具有超光滑表面)，左右兩邊重力力矩不平衡，從而帶動整個輪子順時針轉動?？障胝邆冋J為整個過程不消耗任何能量，稱其為磁力永動機。我們認為這種假想的機器屬于“第一類永動機”。下面我們來一一反駁這個假想永動機的設計思路。

2　物理分析

為了簡化分析，在整個運動過程中，不考慮摩擦力，僅僅考慮小磁鐵受到磁力、重力和彈力的共同作用。

條形磁鐵的磁場分布如圖2所示，在磁鐵的兩極處，磁場最強，離兩極越遠，磁場越弱[5]。在圖1中，由于小磁鐵與大磁鐵有一定距離，因此我們認為所有的小磁鐵受到的磁力Fc方向為水平向右，大小與距離成反比。重力G的方向都為豎直向下。彈簧彈力，Ft=kx，沿著彈簧形變的反方向。

圖2　條形磁鐵的磁場分布

圖3　簡化模型

為了分析簡便，我們對假想模型進行了簡化，如圖3所示；保留了具有對稱位置的8個小磁鐵來進行受力分析，見表1。

表1　簡化模型的受力分析

圖3中8個小磁鐵的位置即是整個系統所受到的總力矩(以轉輪的圓心為中心)為0的位置，這個時候轉輪的角速度為0，機器停止運轉，不會繼續轉動。

綜合分析，這個假想圖存在4個謬處。

1)從圖1可以看出，這些空想者試圖用重力作為驅動力，但是卻沒有考慮重力對于小磁鐵的影響，重力作用下小磁鐵的位置不會呈現對稱狀態。

2)通過計算系統的力矩表明，M= 0，這個轉輪停止在如圖3所示的位置，不會一直運動。

3)根據熱力學第一定律Q=△E+A，系統吸收的熱量一部分轉化為系統的內能，一部分轉化為系統對外做功。整個假想運動過程中，磁鐵排斥推動壓縮彈簧會耗能，彈簧回復會釋能，系統的重心沒有變化，重力不做功，總體過程無能量變化△E=0，不對外吸收熱量Q，則(A= 0)不能對外做功。所以這個裝置無法實現永動并且對外做功。

4)磁鐵分為永久性磁鐵和非永久性磁鐵，永久性磁鐵并不會永遠有磁性，外界因素會改變它的磁性，例如高溫、撞擊、強磁場和周圍交流電產生的磁場都會使得磁性體消磁。因此無論哪種類型的磁鐵都不能做到永久性提供磁性。磁鐵磁性的持續作用，導致磁性減退，等到磁力不足以推動彈簧，這個裝置也就停止運動了。

3　結束語

迄今為止，那些試圖設計無需消耗能量的機器，所謂“永動機圖紙”“永動機技術”都是違反物理學常識的謬論。一切違背能量轉化與守恒動量等自然規律的“創造”都是注定要失敗的。

[1]李杰.一種第一類永動機的設計錯誤分析[J].新鄉師范高等?？茖W報，2007，21(5)：23-25.

[2]凌岳.永動機騙局[J].中外能源，2009，14(2)：70-72.

[3]司德平.第一類永動機幻夢的破滅[J].物理實驗，2006，26(1)：33-35.

[4]磁鐵彈簧永動機[EB/OL].[2014-06-12].http://wenku.baidu.com/view/82ebbd0cf78a6529647d531d.html.

[5]田錄林，楊曉萍，李言，等.適用于永磁體軌道及永磁體軸承的解析磁力模型研究[J].摩檫學報，2008，28(1):73-77.

Using the First Law of Thermodynamics to Analyze a Magnetic Perpetual Motion Machine

HU Junhui，YANG Li，BAI Kezhao

(School of Physics Science and Technology，Guangxi Normal University，Guilin 541004，China)

The first kind of perpetual motion machine is a kind of imagination machine that without outside external energy input，but it can be able to continue the movement and external work.Recently，some dreamers claim to be able to create a magnetic perpetual motion machine，which uses the magnetic and gravity as the driving force.Based on the first law of thermodynamics，we proved that the"perpetual motion machine" cannot achieve permanent move.Any scientific research must follow the natural law.The perpetual motion machine that contrary to the myth of the thermodynamic theory is impossible to make out.The thinking and criticism to pseudo-sciencenot only is helpful to correct understanding of science，but also conducive to understand the world.

the first kind of perpetual motion machine; the first law of thermodynamics; torque; energy

2014-07-24；修改日期: 2014-09-09

胡君輝(1980-)，女，博士，副教授，主要從事計算機物理、光學方面的研究。

O414.11;TH111

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.010