利用熱力學(xué)第一定律分析一種磁力偽永動機(jī)

胡君輝，陽　麗，白克釗

(廣西師范大學(xué)　物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林　541004)

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利用熱力學(xué)第一定律分析一種磁力偽永動機(jī)

胡君輝，陽麗，白克釗

(廣西師范大學(xué)物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林541004)

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

第一類永動機(jī)；熱力學(xué)第一定律；力矩；能量

在大學(xué)物理熱力學(xué)教學(xué)中，熱力學(xué)定律與日常的生活較遠(yuǎn)，不少學(xué)生對于抽象的熱力學(xué)定律難以理解，因此在教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)?shù)刈寣W(xué)生多分析實(shí)例，讓學(xué)生積極主動地思考、討論并結(jié)合新課教學(xué)。本文利用熱力學(xué)第一定律分析具有代表性的永動機(jī)實(shí)例，結(jié)合力學(xué)和能量定律，通過推導(dǎo)證明永動機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。

永動機(jī)的設(shè)想起源于公元1 200年前后，歷史上很多人曾經(jīng)熱衷于研制各種類型的永動機(jī)。在熱力學(xué)體系建立之后，人們通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臒崃W(xué)定律證明了永動機(jī)是不能實(shí)現(xiàn)的。第一類永動機(jī)是指某物質(zhì)循環(huán)一周回復(fù)到初始狀態(tài)，不吸熱而向外放熱、源源不斷地對外做功的機(jī)器，它違反了熱力學(xué)第一定律，故稱為“第一類永動機(jī)”。從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響的熱機(jī)稱為第二類永動機(jī)，由于自然過程(如機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程)具有方向性，所以也不可能制成。1954年《科學(xué)通報(bào)》創(chuàng)刊號上，中國科學(xué)院就宣布了“永動機(jī)”是不能成立的，希望發(fā)明家把他們的精力轉(zhuǎn)移到切合實(shí)際的方面去。進(jìn)入新世紀(jì)，很多空想者都聲稱制造出了永動機(jī)，但是迄今為止，沒有一部永動機(jī)被實(shí)際制造出來，也沒有任何一個永動機(jī)的設(shè)計(jì)方案能經(jīng)受住科學(xué)的檢驗(yàn)[1-3]。

1　偽永動機(jī)實(shí)例

空想者描繪的永動機(jī)以磁力和重力為驅(qū)動力[4]。如圖1所示的機(jī)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(yùn)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(cè)小磁鐵在排斥力的作用下遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動?？障胝邆冋J(rèn)為整個過程不消耗任何能量，稱其為磁力永動機(jī)。我們認(rèn)為這種假想的機(jī)器屬于“第一類永動機(jī)”。下面我們來一一反駁這個假想永動機(jī)的設(shè)計(jì)思路。

2　物理分析

為了簡化分析，在整個運(yùn)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(qiáng)，離兩極越遠(yuǎn)，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(rèn)為所有的小磁鐵受到的磁力Fc方向?yàn)樗较蛴?，大小與距離成反比。重力G的方向都為豎直向下。彈簧彈力，F(xiàn)t=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(jìn)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(jìn)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(tǒng)所受到的總力矩(以轉(zhuǎn)輪的圓心為中心)為0的位置，這個時候轉(zhuǎn)輪的角速度為0，機(jī)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)，不會繼續(xù)轉(zhuǎn)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(qū)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(xiàn)對稱狀態(tài)。

2)通過計(jì)算系統(tǒng)的力矩表明，M= 0，這個轉(zhuǎn)輪停止在如圖3所示的位置，不會一直運(yùn)動。

3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律Q=△E+A，系統(tǒng)吸收的熱量一部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能，一部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)對外做功。整個假想運(yùn)動過程中，磁鐵排斥推動壓縮彈簧會耗能，彈簧回復(fù)會釋能，系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)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(yuǎn)有磁性，外界因素會改變它的磁性，例如高溫、撞擊、強(qiáng)磁場和周圍交流電產(chǎn)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(xù)作用，導(dǎo)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(yùn)動了。

3　結(jié)束語

迄今為止，那些試圖設(shè)計(jì)無需消耗能量的機(jī)器，所謂“永動機(jī)圖紙”“永動機(jī)技術(shù)”都是違反物理學(xué)常識的謬論。一切違背能量轉(zhuǎn)化與守恒動量等自然規(guī)律的“創(chuàng)造”都是注定要失敗的。

[1]李杰.一種第一類永動機(jī)的設(shè)計(jì)錯誤分析[J].新鄉(xiāng)師范高等?？茖W(xué)報(bào)，2007，21(5)：23-25.

[2]凌岳.永動機(jī)騙局[J].中外能源，2009，14(2)：70-72.

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

[4]磁鐵彈簧永動機(jī)[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(xué)報(bào)，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(jì)算機(jī)物理、光學(xué)方面的研究。

O414.11;TH111

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.010