Kvant. Вечный двигатель

А так ли хорошо знаком вам вечный двигатель? // Квант. — 2003. — № 3. — C. 32-33.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Искатели вечного движения, какое количество пустейших
замыслов пустили вы в мир!
Леонардо да Винчи

Нельзя устроить часы, которые заводились бы сами собою
и сами поднимали гири, движущие механизм.
Джероламо Кардано

Создание вечного двигателя абсолютно невозможно...
Из решения Парижской Академии наук, 1775 г.

...нам пришлось бы допустить, что можно ввести в действие автоматическую машину
и получать путем охлаждения моря или земли механическое действие в любом
количестве, вплоть до исчерпания всей теплоты суши и моря...
Уильям Томсон

Определяя вечное движение, нужно быть очень осторожным.
Ричард Фейнман

Отчего столько эмоций на протяжении многих столетий вызывала идея perpetuum mobile — вечного двигателя? Очевидно, необыкновенно привлекательной была да и по сию пору остается воображаемая возможность добывать из ничего неограниченное количество энергии (вечный двигатель I рода) или превращать сколь угодно тепла в работу (вечный двигатель II рода). Но стоит ли обращаться к этой теме, если ее неоднократно, даже официальными постановлениями ученых собраний, раз и навсегда закрывали? Стоит, поскольку немало полезного можно вынести из размышлений, почему именно такие устройства нельзя создать.

Как показывает история, практически всякий раз, когда обнаруживались новые природные явления или неизвестные ранее эффекты, многие изобретатели сразу же пытались использовать их для обоснования возможности перпетуум мобиле и предлагали новые его проекты. Даже в нашей небольшой подборке задач и любопытных фактов вы найдете «представителей» механических, гидравлических, капиллярных, тепловых и электромагнитных вечных двигателей.

Вопросы и задачи

1. Является ли обращение планет вокруг Солнца примером перпетуум мобиле?
2. В двух трубках, накрест закрепленных на валу, находится ртуть. По идее автора проекта, ртуть должна перетекать справа налево, заставляя колесо непрерывно вращаться. Так ли это?

   

3. Раздвигая поршни в цилиндре вблизи дна сосуда, можно добиться его всплытия, сдвигая у поверхности воды — погружения. Нельзя ли такой механизм использовать для «бесплатного» подъема грузов?

   

4. В проекте этого вечного двигателя вода за счет капиллярных сил должна была подниматься по фитилю, стекать в верхний сосуд, а затем вращать водяное колесо. Что же помешало воде?

   

5. Изменится ли что-нибудь, если фитиль в последнем проекте заменить на тонкую смачиваемую водой капиллярную трубку?
6. Достигнет ли КПД тепловых машин 100%, если трение в их частях удастся свести к нулю?
7. Может ли существовать такое вещество, которое удастся перевести из некоторого начального состояния в одно и то же конечное состояние и адиабатически, и изотермически?
8. При растворении в воде некоторых веществ, например гипосульфита, температура раствора понижается. Если использовать такой раствор в качестве холодильника, а окружающую среду — в качестве нагревателя, можно совершить некоторую работу. После высыхания раствора цикл повторяют. Не кроется ли здесь возможность создания вечного двигателя?
9. Основой игрушки «Пьющий утенок» или «Птичка Хоттабыча» является запаянная ампула с трубочкой, заполненная легкоиспаряющейся жидкостью. Птичка периодически «пьет», опуская клюв в стакан с водой. Можно ли это устройство считать вечным двигателем?
10. Между обкладками плоского конденсатора расположен провод, нижняя часть которого опущена в чистую воду. По мысли автора проекта, из-за того что электрическое поле в воде ослаблено, на свободные заряды в верхней части провода будет действовать большая сила со стороны поля, чем в нижней, и в проводе все время будет поддерживаться ток. Почему это невозможно?

    

11. Генератор электрического тока, однажды приведенный в движение, питает током электродвигатель, а тот, в свою очередь, вращает якорь генератора. Можно ли считать такую установку вечным двигателем?

Микроопыт

Впервые за всю историю «Калейдоскопа» мы не предлагаем вам провести эксперимент (т.е. сконструировать перпетуум мобиле), а напротив, решительно советуем воздержаться от этого, даже если очень захочется. Почему — читайте дальше признание изобретателя Бехера.

Любопытно, что...

...со времени первого представления проекта вечного двигателя в начале XVII века и до начала XX века Британское патентное бюро рассмотрело более 600 заявок, причем львиная их доля пришлась на последние полстолетия, когда уже были сформулированы закон сохранения энергии и законы термодинамики.

...ни один из «Комиссии знатоков», проверявшей действие машины Орфиреуса — известного немецкого изобретателя вечного двигателя начала XVII века, — не сомневался, что в принципе такой двигатель сделать можно, критике был подвергнут лишь конкретный образец машины.

...росту сторонников идеи вечного двигателя даже в среде критически мыслящих исследователей в свое время способствовало идущее от Декарта ошибочное толкование силы как произведения массы тела на его скорость.

...следующим после Леонардо да Винчи ученым, занимавшим четкую позицию о невозможности создания вечного двигателя, был голландский математик и инженер Стевин. Он разработал теорию о несостоятельности механических перпетуум мобиле с колесами и грузами, считая это истиной, не требующей доказательств, и вынес на титульную страницу своего трактата девиз: «Чудо не есть чудо».

...соблазн построить вечный двигатель не обошел и русского изобретателя-самоучку, лучшего, как его называли в Европе, механика XVIII века, конструктора многих оригинальных механизмов, приборов и часов Ивана Кулибина. Как и следовало ожидать, в этом случае и он потерпел фиаско.

...в знаменитом решении Парижской Академии наук отмечалось, как бесславно заканчивались труды горе-изобретателей и рушились их семьи. Еще за сто лет до вынесенного учеными вердикта прозвучало признание немца Бехера: «Десять лет я занимался этим безумием, потеряв кучу времени, денег и погубив свое доброе имя и славную репутацию, — все это лишь для того, чтобы сегодня с полной убежденностью сказать: вечное движение неосуществимо».

...броуновское вечное движение, тепловую природу которого доказал французский физик Гюи, по его же мнению оказалось несовместимым со вторым законом термодинамики, запрещающим вечные двигатели II рода. Однако, как позже выяснилось, само броуновское движение отвергает возможность создания подобных двигателей.

...когда для объяснения «недостачи» энергии при β-распаде — испускании электрона атомным ядром — была предложена неуловимая частица нейтрино, даже великий ученый Нильс Бор предпочел усомниться в незыблемости закона сохранения энергии, нежели «изобретать» новую частицу.

...примерно через сто лет после мысленного эксперимента с демоном Максвелла аналогичное устройство, нарушающее второй закон термодинамики, придумал американский физик Фейнман. И хотя он же сам разъяснил, почему не должен работать этот вечный двигатель, идея устройства послужила основой для создания микроскопических моторов, работающих за счет броуновского движения атомов окружающей среды. Природа, кстати, уже «изобрела» подобные двигатели — в мембранах живых клеток.

Что читать в «Кванте» о вечном двигателе

(публикации последних лет)

1. «Вечный двигатель, демоны и информация» — 1995, №5, с. 14;
2. «О квантовой природе теплоты» — 1998, №3, с. 7;
3. «Еще один вечный двигатель?» — 1998, №3, с. 35;
4. «Леонардо да Винчи и принцип невозможности вечного двигателя» — 1999, №5, с. 14;
5. «Внутренняя энергия идеального газа» — 2000, №1, с. 38;
6. «Капилляры и смачивание» — 2000, Приложение №3, с. 99;
7. Калейдоскоп «Кванта» — 2001. №3, с. 32;
8. «Осмос и... вечный двигатель» — 2002, Приложение №4, с. 85.

Ответы

1. Нет, так как идея перпетуум мобиле предполагает неопределенно долгое совершение работы без изменения состояний тел, а такой работы в случае планет не совершается.
2. Нет, не так. Когда трубки расположатся под углом 45° к горизонту, ртуть окажется в нижних коленах, и система будет уравновешена.
3. Нет, поскольку на глубине для раздвигания поршней придется совершать дополнительную работу против сил гидростатического давления.
4. Те же силы поверхностного натяжения, что поднимали воду по капиллярам фитиля, не позволят ей стекать с верхнего его конца в сосуд.
5. Не изменится. По указанным в предыдущем решении причинам вода вытекать из трубки не будет.
6. Нет, так как не отпадет необходимость отводить значительное количество теплоты в холодильник.
7. Не может, иначе удалось бы осуществить цикл (рис.), в котором все полученное системой тепло целиком перешло бы в работу. Такая машина была бы вечным двигателем II рода, который запрещен вторым началом термодинамики.

   

8. Нет, процесс будет длиться до тех пор, пока не произойдет насыщение окружающей среды водяным паром.
9. Нельзя. Секрет действия игрушки — в ватной голове, которая периодически смачивается водой. Испарение воды приводит к понижению давления паров жидкости внутри ампулы, подъему жидкости в трубочке и переносу ее центра тяжести. Энергия, требуемая для наклонов птички, пополняется за счет внутренней энергии воды и окружающего воздуха.
10. Тока в проводнике не будет, так как разность потенциалов между обкладками конденсатора одинакова и в верхней, и в нижней его частях. Это происходит за счет перераспределения зарядов по обкладкам.
11. Нет, движение довольно быстро закончится из-за расходования энергии на преодоление трения в движущихся частях генератора и электродвигателя.

Материал подготовил А.Леонович