热力学第一定律论文经典范6篇之第五篇：以热力学第一定律分析一种以磁力和重力为驱动力的"永动机"
摘要：第一类永动机是一种想象中的不需外界输入能量便能够不断运动并且对外做功的机器。最近某些空想者声称能制造出磁力永动机。文中针对他们提出的一种以磁力和重力为驱动力的"永动机",通过利用热力学第一定律分析证明该"永动机"无法实现永动。任何科学研究都必须遵循自然规律，违背热力学相关理论的永动机是不可能造出来的。对于伪科学的思考和批判，不仅有利于人们正确地认识科学，而且有利于人们正确地认识世界。
关键词：第一类永动机； 热力学第一定律； 力矩； 能量
Abstract:
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.
Keyword:
the first kind of perpetual motion machine; the first law of thermodynamics; torque; energy;
在大学物理热力学教学中，热力学定律与日常的生活较远，不少学生对于抽象的热力学定律难以理解，因此在教学中应适当地让学生多分析实例，让学生积极主动地思考、讨论并结合新课教学。本文利用热力学第一定律分析具有代表性的永动机实例，结合力学和能量定律，通过推导证明永动机是不可能实现的。
永动机的设想起源于公元1 200 年前后，历史上很多人曾经热衷于研制各种类型的永动机。在热力学体系建立之后，人们通过严谨的热力学定律证明了永动机是不能实现的。第一类永动机是指某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而向外放热、源源不断地对外做功的机器，它违反了热力学第一定律，故称为 "第一类永动机".从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响的热机称为第二类永动机，由于自然过程（如机械能和内能的转化过程）具有方向性，所以也不可能制成。1954年 《科学通报》 创刊号上，中国科学院就宣布了"永动机"是不能成立的，希望发明家把他们的精力转移到切合实际的方面去。进入新世纪，很多空想者都声称制造出了永动机，但是迄今为止，没有一部永动机被实际制造出来，也没有任何一个永动机的设计方案能经受住科学的检验[1,2,3].
1 伪永动机实例
空想者描绘的永动机以磁力和重力为驱动力[4].如图1 所示的机器主要由一个大型条形磁铁和周围多个小磁铁组成，小磁铁压缩弹簧沿着各自的轴线运动。周围的小磁铁受到中间大磁铁的磁力排斥，磁力排斥推动压缩弹簧，右侧小磁铁在排斥力的作用下远离转轴（材料具有超光滑表面），左右两边重力力矩不平衡，从而带动整个轮子顺时针转动。空想者们认为整个过程不消耗任何能量，称其为磁力永动机。我们认为这种假想的机器属于"第一类永动机".下面我们来一一反驳这个假想永动机的设计思路。
图1 磁力永动机假想图
2 物理分析
为了简化分析，在整个运动过程中，不考虑摩擦力，仅仅考虑小磁铁受到磁力、重力和弹力的共同作用。
条形磁铁的磁场分布如图2 所示，在磁铁的两极处，磁场最强，离两极越远，磁场越弱[5].在图1 中，由于小磁铁与大磁铁有一定距离，因此我们认为所有的小磁铁受到的磁力Fc方向为水平向右，大小与距离成反比。重力G的方向都为竖直向下。弹簧弹力，Ft= kx, 沿着弹簧形变的反方向。
图3 简化模型
为了分析简便，我们对假想模型进行了简化，如图3 所示； 保留了具有对称位置的8 个小磁铁来进行受力分析，见表1.
表1 简化模型的受力分析
通过上面的计算来比较压缩长度： 第②和第⑥颗小磁铁弹簧的压缩长度一样； 第③和第⑤颗小磁铁所在的弹簧压缩长度由Fc和G的大小决定（ 当Fc> G,x3> x5; 当Fc< G,x3< x5; 当Fc= G,x3= x5）； 第④颗小磁铁受到的弹力最大，离圆心最远。再比较力矩： 第②和第⑥颗、第①和第⑦颗小磁铁的力矩刚好相互抵消； 第④和第⑧颗小磁铁力矩为0; 整个系统的合力矩
图3 中8 个小磁铁的位置即是整个系统所受到的总力矩（以转轮的圆心为中心） 为0 的位置，这个时候转轮的角速度为0,机器停止运转，不会继续转动。
综合分析，这个假想图存在4 个谬处。
1） 从图1 可以看出，这些空想者试图用重力作为驱动力，但是却没有考虑重力对于小磁铁的影响，重力作用下小磁铁的位置不会呈现对称状态。
2） 通过计算系统的力矩表明，M = 0,这个转轮停止在如图3 所示的位置，不会一直运动。
3） 根据热力学第一定律Q = △E + A,系统吸收的热量一部分转化为系统的内能，一部分转化为系统对外做功。整个假想运动过程中，磁铁排斥推动压缩弹簧会耗能，弹簧回复会释能，系统的重心没有变化，重力不做功，总体过程无能量变化△E = 0,不对外吸收热量Q,则（A = 0）不能对外做功。所以这个装置无法实现永动并且对外做功。
4） 磁铁分为永久性磁铁和非永久性磁铁，永久性磁铁并不会永远有磁性，外界因素会改变它的磁性，例如高温、撞击、强磁场和周围交流电产生的磁场都会使得磁性体消磁。因此无论哪种类型的磁铁都不能做到永久性提供磁性。磁铁磁性的持续作用，导致磁性减退，等到磁力不足以推动弹簧，这个装置也就停止运动了。
3 结束语
迄今为止，那些试图设计无需消耗能量的机器，所谓 "永动机图纸""永动机技术"都是违反物理学常识的谬论。一切违背能量转化与守恒动量等自然规律的 "创造"都是注定要失败的。
参考文献
[1]李杰。一种第一类永动机的设计错误分析[J].新乡师范高等专科学报，2007,21（5）：23-25.
[2]凌岳。永动机骗局[J].中外能源，2009,14（2）：70-72.
[3]司德平。第一类永动机幻梦的破灭[J].物理实验，2006,26（1）：33-35.
[4] 磁铁弹簧永动机[EB/OL].[2014-06-12].http://wenku.baidu.com/view/82ebbd0cf78a6529647d531d.html.
[5]田录林，杨晓萍，李言，等。适用于永磁体轨道及永磁体轴承的解析磁力模型研究[J].摩檫学报，2008,28（1）：73-77.
