Перпетум мобиль – вечный двигатель. Perpetuum mobile
Вечный двигатель, или на латинском языке "перпетум мобиль", представляет собой гипотетическую машину, которая могла бы функционировать вечно после придания ей начального импульса и без необходимости последующего подвода энергии к ней.
Законы термодинамики
Чтобы понять, возможен или невозможен перпетум мобиль, следует вспомнить первые два закона термодинамики:
- Первый закон термодинамики гласит: "Энергия не создается и не уничтожается, она может лишь переходить в разные состояния и виды". То есть если над данной системой совершают работу или она обменивается теплом с внешней средой, то ее внутренняя энергия изменяется.
- Второй закон термодинамики. Согласно ему, "энтропия Вселенной стремится увеличиться с течением времени". Этот закон указывает, в каком направлении будет протекать термодинамический процесс самопроизвольно. Кроме того, из этого закона следует невозможность перехода энергии из одного вида в другой без потерь.
Вечный двигатель первого и второго рода
Вечный двигатель, или на латинском языке perpetuum mobile, бывает двух родов:
- Вечный двигатель первого рода представляет собой машину, которая постоянно работает без подвода внешней энергии и при этом совершает какую-либо работу. То есть перпетум мобиль первого рода противоречит первому закону термодинамики, поэтому, кстати, он и получил название двигателя первого рода.
- Вечный двигатель второго рода – это любая машина, которая работает с периодическими циклами, преобразуя один вид энергии в другой, например, механическую в электрическую и наоборот, без каких-либо потерь в процессе этого преобразования. То есть вечный двигатель (перпетуум мобиле) второго рода противоречит второму закону термодинамики.
Невозможность существования
Вечный двигатель первого рода противоречит фундаментальному закону физики о сохранении энергии изолированной системы, поэтому существовать не может. Что касается perpetuum mobile второго рода, то он также невозможен, поскольку в любом работающем двигателе происходит распыление энергии различными способами, главным образом, в виде тепла.
Учитывая, что законы термодинамики проверены несколькими столетиями опытов и экспериментов и еще ни разу не дали сбоя, можно смело говорить, что любые проекты вечных двигателей – это обман. Такие проекты часто возникают в разнообразных религиозных кружках, в которых присутствуют верования о нескончаемых источниках энергии и так далее.
Кроме того, время от времени появляются различные мысленные "парадоксы", которые, казалось бы, демонстрируют работоспособность тех или иных перпетум мобиль. Во всех этих случаях речь идет об ошибках в понимании законов физики, поэтому такие мысленные "парадоксы" являются поучительными.
Исторические поиски вечных двигателей и их важность для развития человечества
Законы термодинамики были установлены окончательно во второй половине XIX века. Согласно им, любая работающая машина не может переводить энергию из одного состояния в другое с коэффициентом полезного действия, равным 100%, не говоря уже о постоянном снабжении энергией других систем без подвода ее к самой машине.
Несмотря на это, многие люди в ходе истории и по сей день искали и продолжают искать различные конструкции работающих вечных двигателей, которые можно сравнить со своеобразным "эликсиром молодости" в области механики.
Все проекты таких машин заключаются в использовании разных весов, углов, физических или механических свойств конкретных субстанций, которые могут двигаться постоянно и даже создавать избыточное количество полезной энергии. Говоря о современном времени и его огромных энергетических потребностях, можно понять важность перпетум мобиль, который бы стал настоящей революцией в развитии человечества.
Возвращаясь в историю, следует сказать, что первые известные проекты вечных двигателей начали появляться в средневековой Европе. Полагают, что первой моделью вечного двигателя стало соответствующее изобретение в Баварии в VIII веке нашей эры.
Известные проекты вечных двигателей в Средние века
К сожалению, до настоящего времени ничего не известно о существовании проектов перпетум мобиль в обществах до Средних веков. Не сохранилась никакая информация о том, что древние греки или римляне создавали такие машины.
Самым древним изобретением вечного двигателя, которое известно человечеству, является магическое колесо. Хотя не сохранилось изображений этого изобретения, исторические письменные источники говорят, что оно относится ко времени существования Империи Меровингов на территории современной Баварии в VIII веке. Однако некоторые историки говорят о том, что данная машина не существовала в действительности и что вся информация о ней является легендой.
Бхаскара был известным индийским математиком, который признается самым влиятельным ученым Средних веков на своем континенте. Его работы, касающиеся дифференциальных уравнений, предшествуют на 5 веков аналогичным работам Ньютона и Лейбница. Около 1150 года Бхаскара придумал колесо, которое должно было вращаться вечно. К сожалению, это изобретение так и не было сконструировано, но оно является первым несомненным свидетельством попыток создания вечного движения.
Первым изобретением вечного двигателя в Европе является машина известного французского масона и архитектора XIII века Виллара де Оннекура. Точно не известно, было ли его изобретение сконструировано, но в дневниках Виллара де Оннекура находят изображение его perpetuum mobile.
Легендарный инженер и изобретатель из Флоренции Леонардо да Винчи также создал несколько машин – вечных двигателей, и в этом плане он опередил на несколько веков свое время. Данные машины, естественно, оказались неработоспособными, и ученый сделал вывод о невозможности существования вечных двигателей в физике.
Вечные двигатели Нового времени
С наступлением Нового времени изобретение вечного двигателя стало популярным занятием, и многие изобретатели тратили свое время на создание такой машины. Связан этот бум прежде всего с успехом в развитии механики.
Так, итальянский изобретатель XVI века Марк Зимара сконструировал вечно работающую мельницу, а голландец Корнелиус Дреббель посвятил одно из таких изобретений английскому королю. В 1712 году инженер Иоганн Бесслер проанализировал более 300 подобных изобретений и решил создать собственный перпетум мобиль.
В итоге, в 1775 году члены королевской академии наук в Париже издали указ о том, что не будут принимать какие-либо изобретения, которые ассоциируются с тематикой вечного двигателя.
Мысленные эксперименты
В теоретической физике часто используют мысленные эксперименты, с помощью которых стараются проверить фундаментальные физические законы. Касательно темы вечных двигателей, можно назвать следующие проекты:
- Демон Максвелла. Речь идет о нарушении второго закона термодинамики, когда гипотетический демон разделяет смесь газов. Этот мысленный эксперимент позволяет понять суть энтропии системы.
- Вечный двигатель Ричарда Фейнмана, который выполняет работу за счет термических флуктуаций и поэтому может работать вечно. В действительности он будет работать до тех пор, пока окружающая среда имеет более высокую температуру, чем сам двигатель.
Окончательно ли мертва надежда создать вечный двигатель?
Мы не можем с уверенностью утверждать, что никогда не будет придумано механизма, способного работать вечно, поскольку человечество еще многого не знает о Вселенной, в которой живет. Возможно, будет открыт вид экзотической материи, например, черная материя в космосе, о которой почти ничего неизвестно. Поведение этой материи может заставить пересмотреть законы термодинамики. Эти законы являются настолько фундаментальными, что любое их изменение по своим масштабам будет аналогично влиянию теории Альберта Эйнштейна на законы классической механики Исаака Ньютона и на развитие физики в целом. Также возможно, что вечное движение существует в объектах, поведение которых подчиняется квантовой механике.