Автор: Екатерина Бруй | 20 августа 2017, 12:40
Вечный двигатель уже многие века не дает покоя ученым и инженерам. Еще бы, идея создать устройство, которое будет постоянно работать, не тратя при этом энергии, кажется очень заманчивой. Реально ли его создать, рассказывают ученые.
Что такое вечный двигатель?
Вечный двигатель или Perpetuum Mobile – это устройство воображаемое. Некоторые считают, что теоретически можно создать машину, которая будет бесконечно совершать работу без затрат каких-либо энергетических ресурсов.
В то же время, постепенно ученые разочаровывались в этой идее и признавали, что от попыток создать такое устройство лучше отказаться, потому что они бессмысленны. Невозможность создать вечный двигатель постулируется как первое начало термодинамики.
Но до сих пор идея вечного двигателя вызывает повышенный интерес.
Идеальный вечный двигатель должен проработать до окончания Большой заморозки (Big Freeze). Сторонники этой теории считают, что до скончания времени Вселенная будет расширяться с очень плавным ускорением.
Этот процесс и называется Большой заморозкой, и когда он завершится, наступит конец всего. Когда это произойдет, точно не установлено, но у нас есть еще приблизительно 100 триллионов лет.
Так вот, вечный двигатель должен работать как минимум столько же, чтобы считаться настоящим вечным двигателем.
Какими бывают вечные двигатели?
Perpetuum Mobile делятся на двигатели первого рода и второго рода. Двигатели первого рода могли бы функционировать без топлива — и вообще без энергетических затрат, которые возникают, например, при трении деталей механизма друг о друга. Двигатели второго рода могли бы извлекать тепло из более холодных окружающих тел и использовать эту энергию в работе.
Есть много проектов в Интернете, которые утверждают, что работают над конструкцией вечного двигателя. Однако если изучить эти проекты внимательно, становится понятно, что они все очень далеки от идеи вечного двигателя. Но если кому-то удастся сделать такое устройство, последствия будут ошеломляющими. Считается, что мы получим вечный источник энергии – бесплатной энергии.
К сожалению, согласно фундаментальным законам физики нашей Вселенной, создание вечного двигателя невозможно.
Почему создание вечного двигателя невозможно?
Вероятно, есть много людей, которые скажут «никогда не говори «никогда», особенно, если речь идет о науке». В какой-то степени это справедливо. Но если окажется, что вечный двигатель создать возможно, это перевернет физику, которую мы знаем. Окажется, что мы во всем были неправы и ни одно из наших предыдущих наблюдений не имеет никакого смысла.
Первый закон термодинамики -– закон сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не может быть ни создана, ни уничтожена – она просто переходит из одной формы в другую. Для того, чтобы держать механизм в постоянном движении, приложенная энергия должна остаться в этом механизме без каких-либо потерь. Ровно поэтому создание вечного двигателя невозможно.
Для того, чтобы построить вечный двигатель первого рода, мы должны выполнить несколько условий:
Двигатели второго рода, которые используют теплоту окружающих тел, не противоречат закону сохранения энергии.
Однако эти хитрые конструкции бессильны против второго начала термодинамики: в замкнутой системе самопроизвольный переход теплоты от более холодных тел к горячим невозможен. Для этого необходим некий посредник.
А для работы посредника необходима энергия из внешнего источника. Кроме того, в природе не существует по-настоящему обратимы
Но самое главное, создание вечного двигателя может оказаться бессмысленным. Люди рассчитывают, что если такое устройство будет сделано, мы получим бесплатный источник энергии.
Но так ли это? На самом деле, мы получим ровно столько энергии, сколько направим в этот двигатель.
Мы ведь помним, что согласно законам физики, которые пока не опровергнуты, энергия не может быть создана из ничего, она может быть только преобразована. Так что, выходит, вечный двигатель – это бесполезное устройство.
Поделиться Поделиться
Источник: https://futurist.ru/articles/107-vechniy-vopros-vechnogo-dvigatelya
Все современные двигатели тратят что-либо во время работы, обычно топливо или электрическую энергию. Вечный двигатель – несбыточная мечта ученых всех времен. Он позволил бы получать пользу от механизма, практически ничего при этом не расходуя.
Многие люди пытались построить вечный двигатель. Их проекты разделились на три категории:
Ни один из вариантов сделать у ученых не получилось. Некоторые специалисты и сейчас стараются сконструировать двигатель третьего рода, но все попытки безуспешны.
Позже были сформулированы законы науки «термодинамика», которые объясняют, почему их чертежи нельзя превратить в работающие механизмы:
Термодинамические законы выполняются повсеместно.
Как работает первый закон, мы видим постоянно, даже на примере самого человека:
Так же обстоят дела и у двигателя – не получив энергию, он не даст результатов работы.
Второй закон тоже не вызывает сомнений, иначе в нашем мире было бы даже невозможно согреть холодные руки о горячую чашку – получилось бы, что остаток тепла рук передается горячей посуде.
Инженеры, математики и философы солидарны в вопросе невозможности создания вечного двигателя.
Законы термодинамики подтверждают, что это останется мечтой еще на очень долгое время, а возможно и навсегда.
Источник: http://otvet1.ru/technique/pochemu-nelzya-sozdat-vechnyj-dvigatel.html
— Ну, как же, у него топливо когда-нибудь кончится.. .
А если серьзно, то для вечного двигателя необходимо полное отсутсвие погрешностей: будь то сопротивление воздуха, потеря энергии из-за передачи, или ещ что то.Абсолютного вакуума не существует, или существует, а мы об этом не знаем. Скорость быстрее скорости света не существует, или мы об этом не знаем. Вечный двигатель нельзя создать, или мы об этом не знаем.
Решив одну загадку автоматиччески появляются ответы на все.. .
Таким образом, будет ли возможен ВД2, зависит от того, какой смысл мы вкладываем в понятие энергия окружающей среды: если узкий смысл — только тепловая энергия — тогда ВД2 невозможен; если более широкий — все формы энергии — он оказывается возможным.
С этой точки зрения Солнце не является вечным двигателем (собственно, Солнышко медленно гаснет).
А двигатель — это не просто движение. Двигатель должен обязательно ДЕЛИТЬСЯ своим движением с другими механизмами. Например,автомобильный двигатель рождает движение, делится им с колсами, а колса приводят в движение весь автомобиль.
Так вот это вечно делать нельзя, так как в движении содержится энергия. Когда двигатель делится движением, он передат энергию, а сам е теряет. Поскольку есть закон природы, что энергия не может рождаться, то энергия — ограниченный ресурс. Когда она закончится в двигателе, ему больше нечем будет делиться.
3) Насчет гравитации. Казалось бы, если поднять камень и отпустить его — земля притянет его, то есть совершит работу — переместит его на два метра вниз. И так — сколько угодно раз.
Вечный двигатель? Нет! Потому что для этого надо сначала поднять камень на 2 метра вверх — совершить такую же работу, только в противоположном направлении, а значит их сумма равна нулю.
Так вот, суммарная работа гравитационных и магнитных сил всегда равна нулю. Это как батут — он не вечный двигатель, хотя всех подбрасывает.
Источник: http://www.domino22.ru/pochemu-nelzya-sozdat-vechnij-dvigatel/
22 февраля 2011 года
Мое изложение будет кратким, но на важных моментах я остановлюсь подробнее. Дополнительные детали и математические подробности можно, как всегда, найти в Википедии.
Несмотря на многочисленные попытки, никому не удавалось построить вечный двигатель, производящий полезную работу без воздействия извне. Ученые стали догадываться, что вечный двигатель построить нельзя.
В 19 веке была построена наука термодинамика. Одной из основ термодинамики стал закон сохранения энергии.
Он не следовал из каких-либо теоретических принципов, но являлся обобщением многих экспериментальных фактов.
Термодинамику можно использовать для описания работы ряда механизмов, например, двигателей внутреннего сгорания или холодильных установок. Если известно, как и при каких условиях работает механизм, можно рассчитать, сколько работы он произведет.
В 1918 году Эмма Нётер доказала важную теорему для теоретической физики, согласно которой в системе, обладающей симметриями, появляются сохраняющиеся величины. Сохранению энергии соответствует однородность времени.
Как нужно понимать «однородность времени»? Пусть у нас есть какое-нибудь устройство. Если я его включаю сегодня, завтра или через много лет, и оно работает каждый раз одинаково, то для такой системы время однородно, и в ней будет работать закон сохранения энергии.
К сожалению, школьных знаний недостаточно, чтобы доказать теорему Нётер. Но доказательство математически строгое, и связь между однородностью течения времени и сохранением энергии однозначна.
Попытка построить вечный двигатель, работающий сколь угодно долго, — это попытка обмануть природу.
Такая же бессмысленная, как и попытка преодолеть 1000 километров за 10 минут на автомобиле со скоростью 100 км/ч (помните формулу s = vt?).
Что же получается, энергия всегда сохраняется? Не установили ли физики границу познания со своим законом сохранения энергии? Конечно нет! В общем случае, если в системе нет однородности времени, энергия не сохраняется. Примером такой системы является Вселенная.
Известно, что Вселенная расширяется. Сегодня она не такая, как в прошлом, и в будущем изменится. Таким образом, во Вселенной нет однородности времени, и для нее закон сохранения энергии неприменим. Более того, известно, что энергия всей Вселенной не сохраняется.
Дают ли такие примеры отсутствия сохранения энергии надежду на построение вечного двигателя? К сожалению, не дают. На земных масштабах расширение Вселенной совершенно незаметно, и для Земли закон сохранения энергии выполняется с огромной точностью. Вот так физика объясняет невозможность построения вечных двигателей.
Источник: https://written.ru/articles/science/perpetuum_mobile
Человеческая натура такова, что испокон веков люди пытались создать нечто, работающее само по себе, безо всяких воздействий извне. Впоследствии этому устройству дали определение Perpetuum Mobile или Вечный двигатель. Многие знаменитые ученые разных времен безуспешно пытались его создать, включая и великого Леонардо да Винчи.
Он потратил несколько лет на создание вечного двигателя, как путем усовершенствования уже имеющихся моделей, так и пытаясь создать что-то принципиально новое. В конце концов разобравшись, почему же ничего не работает, он первым сформулировал заключение о невозможности создания подобного механизма.
Однако изобретателей его формулировка не убедила, и они до сих пор пытаются создать невозможное.
Доподлинно неизвестно, кто и когда первый попытался создать вечный двигатель, но первое упоминание о нем в рукописях датируется XII веком. Рукописи принадлежат индийскому математику Бхаскаре.
В них в стихотворной форме описывается некое колесо, с прикрепленными к нему по периметру трубками, наполовину заполненными ртутью. Считалось, что за счет перетекания жидкости, колесо будет само по себе вращаться бесконечно.
Примерно на том же принципе было сделано еще несколько попыток создать вечный двигатель. Как обычно, безуспешно.
Модели, построенные по принципу колеса Бхаскара
Другой прототип вечного двигателя основывается на использовании закона Архимеда. В теории считалось, что цепь, состоящая из полых резервуаров, за счет выталкивающей силы станет вращаться. Не было учтено лишь одно – давление водяного столба на самый нижний бак будет компенсировать выталкивающую силу.
Вечный двигатель, работающий по закону Архимеда
Еще одним изобретателем вечного двигателя является нидерландский математик Симон Стевин. По его теории цепочка из 14 шаров, перекинутая через треугольную призму, должна прийти в движение, потому что с левой стороны шаров в два раза больше, чем с правой, а нижние шары уравновешивают друг друга.
Но и тут коварные законы физики помешали планам изобретателя.
Несмотря на то, что четыре шара в два раза тяжелее, чем два, они катятся по более пологой поверхности, следовательно, сила тяжести, действующая на шары справа, уравновешивается силой тяжести, действующей на шары слева, и система остается в равновесии.
Модель вечного двигателя Стевина и его реализация с цепью
С появлением постоянных (и особенно неодимовых) магнитов, изобретатели вечных двигателей вновь активизировались. Существует множество вариаций электрогенераторов на основе магнитов, а один из первых их изобретателей, Майкл Брэди, в 90-х годах прошлого века даже запатентовал эту идею.
Майкл Брэди работает над вечным двигателем на постоянных магнитах в 2002 году
А на видео ниже представлена довольно простая конструкция, которую каждый может сделать у себя дома (если наберете достаточное количество магнитов).
Неизвестно, насколько долго будет крутится эта штука, но даже если не учитывать потери энергии от трения, этот двигатель можно считать лишь условно вечным, потому что мощность магнитов со временем ослабевает.
Но все равно, зрелище завораживает.
Конечно, мы рассказали далеко не о всех вариантах вечных двигателей, потому что людская фантазия, если и не бесконечна, то весьма изобретательна. Однако все существующие модели вечных двигателей объединяет одно – они не вечны.
Именно поэтому Парижская академия наук с 1775 года решила не рассматривать проекты вечных двигателей, а Патентное ведомство США не выдает подобные патенты уже более ста лет.
И все же в Международной патентной классификации до сих пор остаются разделы для некоторых разновидностей вечных двигателей. Но это касается лишь новизны конструкторских решений.
Подводя итог, можно сказать лишь одно: несмотря на то, что до сих пор считается, что создание действительно вечного двигателя невозможно, никто не запрещает стараться, изобретать и верить в неосуществимое.
Источник: https://www.techcult.ru/sdelay-sam/1630-vechnyj-dvigatel-izobretaem-nevozmozhnoe
__________________________________________novpedkolledg2.ru
7. Невозможность вечного двигателя
Даже в самой современной высокопроизводительной машине часть теплоты не может быть превращена в работу. Чтобы это осуществить, нужна машина, работающая в пределах температуры теплоприемника и более низкой температуры теплоотдатчика.
Значит, невозможно построить двигатель, в котором рабочее тело совершало бы работу, вступая в теплообмен с одним только, и при-чем единственным, источником теплоты, то есть нельзя осущест-вить вечный двигатель второго рода. Из этой формулировки логически вытекает следующая: нельзя превратить теплоту какого-либо тела в работу, не производя никакого другого изменения, кроме охлаждения этого тела. Это доказывает одно: что невозможно при помощи кругового изотермического процесса произвести работу. Попробуем сформулировать неосуществимость вечного двигателя первого рода. Ее можно рассматривать двояко: с одной стороны, «работу нельзя создать из ничего», с другой стороны, «работу нельзя превратить в ничто». Хаотическое тепловое движение частиц более вероятно, чем их направленное движение. «Появление» теплоты всегда знаменуется превращением энергии в малоэффективную форму. Вероятность того, что молекулы, движущиеся хаотично, получат определенную ориентацию, ничтожна. Если бы это существовало на самом деле, то привело бы к появлению направленной силы, способной совершать работу. Поэтому переход без ограничений теплоты в работу невозможен, хотя работа может перейти в теплоту целиком. Итак, при отсутствии теплоприемника запас энергии теплоотдатчика не может быть использован. Нельзя использовать безграничные запасы энергии воздуха, морей, океанов и т. д.
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
fis.wikireading.ru
22 февраля 2011 года
Мое изложение будет кратким, но на важных моментах я остановлюсь подробнее. Дополнительные детали и математические подробности можно, как всегда, найти в Википедии.
Несмотря на многочисленные попытки, никому не удавалось построить вечный двигатель, производящий полезную работу без воздействия извне. Ученые стали догадываться, что вечный двигатель построить нельзя. В 19 веке была построена наука термодинамика. Одной из основ термодинамики стал закон сохранения энергии. Он не следовал из каких-либо теоретических принципов, но являлся обобщением многих экспериментальных фактов.
Термодинамику можно использовать для описания работы ряда механизмов, например, двигателей внутреннего сгорания или холодильных установок. Если известно, как и при каких условиях работает механизм, можно рассчитать, сколько работы он произведет.
В 1918 году Эмма Нётер доказала важную теорему для теоретической физики, согласно которой в системе, обладающей симметриями, появляются сохраняющиеся величины. Сохранению энергии соответствует однородность времени.
Как нужно понимать «однородность времени»? Пусть у нас есть какое-нибудь устройство. Если я его включаю сегодня, завтра или через много лет, и оно работает каждый раз одинаково, то для такой системы время однородно, и в ней будет работать закон сохранения энергии.
К сожалению, школьных знаний недостаточно, чтобы доказать теорему Нётер. Но доказательство математически строгое, и связь между однородностью течения времени и сохранением энергии однозначна. Попытка построить вечный двигатель, работающий сколь угодно долго, — это попытка обмануть природу. Такая же бессмысленная, как и попытка преодолеть 1000 километров за 10 минут на автомобиле со скоростью 100 км/ч (помните формулу s = vt?).
Что же получается, энергия всегда сохраняется? Не установили ли физики границу познания со своим законом сохранения энергии? Конечно нет! В общем случае, если в системе нет однородности времени, энергия не сохраняется. Примером такой системы является Вселенная. Известно, что Вселенная расширяется. Сегодня она не такая, как в прошлом, и в будущем изменится. Таким образом, во Вселенной нет однородности времени, и для нее закон сохранения энергии неприменим. Более того, известно, что энергия всей Вселенной не сохраняется.
Дают ли такие примеры отсутствия сохранения энергии надежду на построение вечного двигателя? К сожалению, не дают. На земных масштабах расширение Вселенной совершенно незаметно, и для Земли закон сохранения энергии выполняется с огромной точностью. Вот так физика объясняет невозможность построения вечных двигателей.
written.ru
Вечный двигатель - мечта любого ученого. Эта машина способна производить работу неограниченное время, при этом не заимствуя энергии извне. Объективные физические законы показали невозможность существования вечного двигателя. История вечного двигателяСогласно историческим записям, первым человеком, предложившим построить подобную машину был индийский ученый, живший в 12 веке. Именно в это время начались Крестовые походы европейцев на Святую Землю. Развитие ремесла, хозяйства и техники потребовало разработки новых источников энергии. Популярность идеи вечного двигателя стала стремительно расти. Ученые пытались построить его, но их попытки не увенчались успехом.Еще более популярной эта идея стала в 15-16 веках с развитием мануфактурного производства. Проекты вечного двигателя предлагались всеми, кому не лень: от простых ремесленников, мечтавших наладить свою небольшую фабрику, до крупных ученых. Леонардо да Винчи, Галилео Галилей и другие великие исследователи после многочисленных попыток создать вечный двигатель пришли к общему мнению, что это в принципе невозможно.К такому же мнению пришли ученые, жившие в 19 веке. Среди них был Герман Гельмгольц и Джеймс Джоуль. Они независимо друг от друга сформулировали закон сохранения энергии, характеризующий протекание всех процессов во Вселенной.Вечный двигатель первого родаИз этого фундаментального закона следует невозможность создания вечного двигателя первого рода. Закон сохранения энергии гласит, что энергия ниоткуда не появляется и никуда бесследно не исчезает, а лишь принимает новые для себя формы. Вечный двигатель первого рода - воображаемая система, способна совершать работу (т.е. производить энергию) неограниченное время без доступа энергии извне. Реальная подобная система может совершать работу только засчет убыли своей внутренней энергии. Но эта работа будет ограничена, так как запасы внутренней энергии системы не бесконечны. Тепловой двигатель для производства энергии должен выполнять определенный цикл, а значит - каждый раз возвращаться в начальное состояние. Первое начало термодинамики гласит, что двигатель для совершения работы должен получать энергию извне. Вот почему невозможно построить вечный двигатель первого рода.Вечный двигатель второго родаПринцип работы вечного двигателя второго рода заключался в следующем: отнимать у океана энергию, понижая при этом его температуру. Это не противоречит закону сохранения энергии, но построение такого двигателя также невозможно. Все дело в том, что это противоречит второму началу термодинамики. Оно заключается в том, что энергия от более холодного тела не может передаваться более горячему в общем случае. Вероятность такого события стремится к нулю, так как оно нерационально. |
completerepair.ru
Просмотров: 4534
В классическое романе Айзека Азимова «Сами боги» никому не известный химик случайно наталкивается в 2070 г. на величайшее открытие всех времен — электронный насос, который позволяет даром получать неограниченное количество энергии. Его открытие оказывает на жизнь человечества немедленное и глубокое действие. Автора объявляют величайшим ученым всех времен — ведь он сумел утолить постоянную жажду энергии, которая владеет нашей цивилизацией. «Он стал в глазах всего мира Санта-Клаусом пополам с лампой Аладдина», — писал Азимов. Организованная им компания мгновенно вытесняет с рынка нефть, газ, уголь и ядерную энергетику и вскоре становится одной из богатейших корпораций планеты.Мир купается в даровой энергии и пьянеет от новообретенного могущества. В общем праздничном гомоне тонет тревожный вопрос одинокого физика, обращенный к самому себе: «Откуда же берется вся эта бесплатная энергия?» Через некоторое время ему удается отыскать ответ и раскрыть тайну. Оказывается, цена бесплатной энергии ужасна. Энергия приходит к нам через дыру в пространстве, которая соединяет нашу Вселенную с параллельной вселенной, и неожиданный приток энергии в нашу Вселенную послужил спусковым механизмом для цепной реакции, которая со временем уничтожит звезды и галактики, обратит Солнце в сверхновую и погубит Землю,
С незапамятных времен священным Граалем всех изобретателей, ученых, а также шарлатанов и мошенников Земли был сказочный «вечный двигатель» — устройство, способное работать бесконечно без всякого расхода энергии. Еще лучше, разумеется, если это устройство способно производить больше энергии, чем потребляет, —как и делает у Азимова электронный насос, производя бесплатную энергию в неограниченных количествах.
В недалеком будущем, когда в нашем индустриализированном мире постепенно закончится дешевая нефть, возникнет настоятельная необходимость отыскать достаточное количество новых источников чистой энергии, Быстрый взлет цен на бензин, падение производства, загрязнение окружающей среды — эти и многие другие факторы подпитывают возродившийся в последнее время активный интерес к энергетике.
Сегодня кое-кто из изобретателей, оседлавших эту волну, снова обещает энергию бесплатно и в неограниченных количествах и предлагает продать свое изобретение сотням миллионов. Десятки инвесторов периодически становятся в очередь, привлеченные сенсационными заголовками финансовых СМИ, которые часто превозносят этих проходимцев и объявляют их новыми Эдисонами.
Идея вечного двигателя чрезвычайно популярна. В одном из эпизодов сериала «Симпсоны» Лайза во время забастовки учителей строит собственный вечный двигатель. Гомер, узнав об этом, строго одергивает ее: «Лайза, слушай сюда... в этом доме все подчиняются законам термодинамики!»
В сюжетах компьютерных игр, таких как Sims, Xenosaga I и II и Ultima IV, а также в мультсериале «Зим Завоеватель» вечному двигателю тоже отведена важная роль.
Но если энергия так ценна, то нельзя ли реально оценить наши шансы на создание вечного двигателя? Действительно ли подобные устройства невозможны или можно предположить, что для их создания потребуется пересмотреть законы физики?История в зеркале энергии
Любой цивилизации жизненно необходима энергия. Более того, всю историю человечества в принципе можно рассматривать как историю энергетики. На протяжении 99,9% времени существования человечества примитивные сообщества вели кочевую жизнь, с трудом добывая пропитание охотой и собирательством. Жизнь человека была жестокой и короткой. Из энергии ему доступка была одна пятая лошадиной силы — сила его собственных мускулов. Исследование костных останков наших предков говорит о том, что человеку в те времена, чтобы выжить, приходилось выдерживать огромные нагрузки. Средняя ожидаемая продолжительность жизни составляла меньше 20 лет.
Но около 10 000 лет назад, после окончания последнего ледникового периода, люди открыли для себя земледелие и одомашнили животных, в первую очередь лошадь. Постепенно доступная человеку энергия выросла до одной или двух лошадиных сил. Это послужило толчком для первой великой революции в истории человечества. Упряжное животное—лошадь или бык — давало человеку достаточно энергии, чтобы в одиночку вспахать целое поле, проехать за день не один десяток миль, перевезти с места на место несколько сотен фунтов камней или зерна. Впервые в истории у людей появился избыток энергии — а в результате возникли первые города. Избыток энергии означал, что общество уже может прокормить целый класс специалистов: ремесленников, зодчих, строителей и писцов. Расцвели древние цивилизации. В джунглях и пустыне поднялись к небу великие пирамиды, возникли империи. Средняя ожидаемая продолжительность жизни достигла примерно 30 лет.
Около 300 лет назад произошла вторая великая революция в истории человечества — на помощь ему пришел пар. С появлением паровых машин уровень энергии, доступный одному человеку, подскочил до десятков лошадиных сил. Обуздав силу пара и заставив его вертеть колеса, человек теперь мог за несколько дней пересечь целый континент. Машины распахивали огромные поля и перевозили сотни пассажиров на тысячи километров; машины позволили нам построить громадные города из высотных зданий. К 1900 г. ожидаемая продолжительность жизни в Соединенных Штатах почти достигла 50 лет.
Сегодня мы можем наблюдать вокруг третью великую революцию в истории человечества — информационную. Взрывной рост населения, ненасытная жажда электричества и энергии привели к тому, что наша потребность в энергии подскочила до небес, а ее источники близки к истощению. Энергия, доступная отдельному человеку, теперь измеряется тысячами лошадиных сил. Нам кажется естественным, что один-единственный автомобиль может развивать мощность, соответствующую сотням лошадиных сил. Не удивительно, что растущая потребность в энергии подогревает интерес к нетрадиционным и неистощимым ее источникам, включая и вечный двигатель.Вечный двигатель в истории
Поисками вечного двигателя люди занимались еще в глубокой древности. Первая документально подтвержденная попытка построить это чудо техники имела место в Баварии в VIII в. Изобретенная тогда машина стала на протяжении следующего тысячелетия прототипом для бесчисленных вариантов. Основой конструкции служило колесо с подвешенными на нем небольшими магнитами, напоминающими кабинки на колесе обозрения. Само это колесо помещали над лежащим на полу гораздо более мощным магнитом. Предполагалось, что при вращении колеса каждый магнит будет сначала притягиваться к неподвижному большому магниту, затем отталкиваться от него, заставляя колесо вращаться и создавая таким образом вечное движение.
Еще одна хитроумная схема была изобретена в 1150 г. в Индии. Философ Бхаскара предложил изготовить колесо, которое должно было вращаться вечно. Предполагалось, что подвешенные к ободу дополнительные несбалансированные грузы будут постоянно раскручивать колесо, Опускаясь, груз произведет работу и провернет колесо, а затем вернется на свое место. Бесконечно повторяя этот цикл, утверждал Бхаскара, можно заставить колесо работать неограниченное время.
Баварская схема и схема Бхаскары, как и другие проекты вечного двигателя, во многом схожи; во всех присутствует колесо, способное без приложения энергии совершить один оборот и произвести при этом некую полезную работу. (Тщательное изучение этих хитроумных машин, как правило, показывает, что на самом деле в каждом цикле наблюдается потеря энергии.)
Эпоха Возрождения подстегнула усилия изобретателей и умножила число предложенных проектов. В 1635 г. был выдан первый патент на вечный двигатель. В 1712 г. Иоганн Бесслер, изучив предварительно около 300 схем, предложил собственную модель. (По легенде, его служанка позже разоблачила его машину как хитрое мошенничество.) Вечным двигателем интересовался даже великий художник и ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. На людях он разоблачал проекты вечного двигателя, сравнивая попытки его создания с поисками философского камня, а тайком рисовал в тетради сложные схемы самодвижущихся машин, таких как центробежный насос и самокрутящийся вертел.
К1775 г. было предложено столько всевозможных вариантов, что Королевская академия наук в Париже постановила «не принимать больше и не рассматривать заявки, имеющие отношение к вечному движению».
Историк Артур Орд-Хьюм, изучающий проекты вечного двигателя, писал о фанатичной преданности изобретателей своей идее, об их невероятном упорстве и сравнил их с древними алхимиками. Но, заметил он, «даже алхимик... понимал, когда надо признать поражение».Розыгрыши и подделки
Стимулы к изобретению вечного двигателя были настолько сильны, что мошенничество и обман в этом вопросе стали обычным делом. В 1813 г. Чарльз Редхеффер продемонстрировал в Нью-Йорке машину, которая, к изумлению зрителей, производила даровую энергию в неограниченных количествах. (Но Роберт Фултон, тщательно обследовав машину, обнаружил скрытую ременную передачу, при помощи которой машина приводилась в движение. Передача шла на чердак, где спрятанный человек крутил ворот.)
Ученым и инженерам тоже случалось становиться жертвой всеобщего энтузиазма. В 1870 г. редакторы журнала Scientific American тоже были обмануты вечным двигателем, который построил некий Э. Уиллис. Журнал поместил статью под сенсационным заголовком «Величайшее открытие в истории человечества». Только позже удалось обнаружить, что у машины Уиллиса тоже был скрытый источник энергии.
В 1872 г. некий Джон Эрнст Уоррел Келли провернул самую сенсационную и самую выгодную аферу своего времени; он обобрал инвесторов на 5 млн долл. — громадную по тем временам сумму. Его вечный двигатель состоял из камертонов, которые резонировали и, по утверждению автора, поддерживали связь с «эфиром». Оттуда машина и черпала будто бы свою энергию. Келли не имел никакого научного опыта; обыкновенно он приглашал потенциальных инвесторов к себе домой и поражал их своим гидропневмовакуумно-пульсационным двигателем, который при этом жужжал и крутился без всяких внешних источников энергии. Инвесторы, изумленные видом самодвижущейся машины, спешили пополнить своими деньгами казну изобретателя.
Позже кое-кто из разочарованных инвесторов обвинял Келли в мошенничестве; он даже провел некоторое время в тюрьме, что не помешало ему умереть богатым человеком. После смерти изобретателя инвесторы открыли хитроумный секрет его машины. Когда дом Келли разобрали по кирпичику, в стенах и полах обнаружились трубы, при помощи которых к машине из подвала тайком подавался сжатый воздух.
Даже ВМФ и президент США пали однажды жертвой подобного обмана. В 1881 г. Джон Гэмджи изобрел машину на жидком аммиаке. Испарение холодного аммиака должно было вызывать расширение газов и движение поршня, а значит, и работу машины за счет — ни много ни мало — тепла земных океанов. Военных моряков так захватила идея добывать неограниченное количество энергии прямо из океана, что они одобрили конструкцию машины и показали образец президенту Джеймсу Гарфилду. Единственная проблема состояла в том, что аммиак не хотел должным образом конденсироваться и превращаться обратно в жидкость — поэтому цикл никак не удавалось замкнуть.
Бюро патентов и торговых марок США, всегда получавшее очень много проектов вечного двигателя, отказалось выдавать патенты, пока не будет представлена действующая модель машины. Иногда — в очень редких случаях, когда эксперты не в состоянии обнаружить в представленной машине никаких дефектов, — патент все-таки выдается. В правилах Бюро сказано: «За исключением тех случаев, когда речь идет о вечном движении, Бюро не требует обязательного представления модели для демонстрации работоспособности устройства». (Недобросовестные изобретатели иногда пользуются этой лазейкой, чтобы показать наивным инвесторам, что Патентное бюро официально признает вечные двигатели; в этом случае инвесторы охотнее финансируют подобные изобретения.)
Тем не менее с научной точки зрения поиски вечного движения не были совсем уж бесплодными. Напротив, хотя ни одному изобретателю не удалось представить миру вечный двигатель, неустанная погоня за этим сказочным устройством — трудно представить, сколько времени и энергии было на это потрачено, — помогла физикам тщательно изучить природу тепловых двигателей. (Точно так же, как бесплодные поиски философского камня, способного превращать свинец в золото, помогли открыть некоторые фундаментальные законы химии.)
К примеру, в 1760-х гг. Джон Кокс изобрел часы, которые на самом деле способны работать вечно, получая энергию от изменений атмосферного давления. Эти изменения улавливает барометр, который затем передают энергию на вращение часовых стрелок. Эти часы вполне работоспособны; такие модели существуют и сегодня. Они могут идти вечно, так как получают энергию извне в форме изменений атмосферного давления.
Вечные двигатели, подобные часам Кокса, со временем привели ученых к мысли о том, что машина—любая машина — может работать вечно только в том случае, если получает энергию извне; а это означит, что суммарная энергия сохраняется. Из этой теории берет начало первый закон термодинамики; он состоит в том, что совокупность вещества и энергии невозможно ни создать, ни уничтожить. Позже были установлены три закона термодинамики. Второй закон утверждает, что суммарная энтропия (количество беспорядка) всегда возрастает. (Грубо говоря, этот закон говорит, что тепло может спонтанно передаваться только от более горячих объектов к более холодным.) Третий закон утверждает, что достичь абсолютного нуля невозможно.
Если сравнить Вселенную с игрой, а целью игры объявить извлечение энергии, то три закона термодинамики можно сформулировать следующим образом:
«Невозможно получить что-то из ничего» (первый закон).
«Невозможно поделить поровну» (второй закон).
«Невозможно выйти из игры» (третий закон).
(Физики очень осторожны; они заявляют, что эти законы не обязательно абсолютно верны при любых обстоятельствах. Тем не менее никаких отклонений от них до сих пор не обнаружено. Любому, кто захочет опровергнуть эти законы, придется выступить против нескольких веков тщательных научных наблюдений и экспериментов. Мы еще обсудим возможные отклонения от этих законов.)
Три закона термодинамики, как и многие высшие достижения науки XIX в., отмечены не только триумфом побед, но и человеческой трагедией. Великий немецкий физик Людвиг Больцман, сыгравший значительную роль в формулировании этих законов, покончил с собой — отчасти из-за противоречий, возникших в связи с их появлением.Людвиг Больцман и энтропия
Больцман был невысоким здоровяком с бочкообразной грудью и громадной спутанной бородой. Однако за внушительной и даже пугающей внешностью скрывалась ранимая душа; а ран, защищая научные идеи, ему приходилось получать много. Хотя к XIX в. принципы ньютоновской физики уже прочно утвердились в науке, Больцман понимал, что никто еще не пытался применить известные законы к противоречивой концепции атомного строения вещества — концепции, которую тогда принимали далеко не все ведущие ученые. (Мы иногда забываем, что всего сто лет назад многие ученые упрямо верили, что атом вовсе не реальный объект, а всего лишь хитроумная уловка. Атомы настолько малы, утверждали они, что, скорее всего, их вовсе не существует.)
Ньютон показал, что движение любых объектов определяют механические силы, а не духи и не желания людей. Больцман воспользовался этим и элегантно вывел многие законы для газов при помощи простого предположения: он считал, что газы состоят из крошечных атомов, которые движутся подобно бильярдным шарам и подчиняются ньютоновым законам сил. Для Больцмана комната, наполненная газом, была подобна коробке с триллионами крошечных стальных шариков, каждый из которых отскакивал от стенок коробки и от других шариков согласно ньютоновым законам движения. Больцман (и независимо от него Джеймс Клерк Максвелл) сделал величайший научный прорыв, когда математически показал, как из этого простого предположения можно вывести поразительные новые законы. Тем самым он положил начало новому направлению в физике — статистической механике.
Внезапно оказалось, что при помощи нескольких базовых принципов можно объяснить многие свойства вещества. Поскольку законы Ньютона требовали, чтобы энергия сохранялась даже в приложении к атомам, каждое столкновение между атомами должно было проходить с сохранением общей энергии; это, в свою очередь, означало, что для газа в комнате, со всеми все его триллионами атомов, энергия также сохранялась. Получалось, что закон сохранения энергии теперь можно не только получить экспериментальным путем, но и теоретически вывести из базовых принципов а именно из ньютоновского движения атомов.
Но в XIX в. само существование атомов все еще было под сомнением; даже видные ученые (к примеру, философ Эрнст Мах) не считали зазорным оспаривать и нередко даже высмеивать теорию атомного строения вещества. Больцман, человек ранимый и склонный к депрессии, вдруг обнаружил себя этаким общим громоотводом, главной мишенью для атак, нередко очень злых, всех противников атомной теории. Для них все, что нельзя измерить, — в том числе и атомы — просто не существовало. К унижению Больцмана добавлялось еще и то, что редактор видного немецкого физического журнала отвергал многие его статьи; редактор этот настаивал, что атомы и молекулы представляют собой скорее чрезвычайно удобный теоретический инструмент, чем реальные существующие в природе объекты.
Не выдержав всех этих нападок, в том числе и сугубо личных, в 1906 г. Больцман повесился, выбрав время, когда его жена с ребенком были на море. Очень печально, что этот выдающийся человек так и не понял, что год назад дерзкий молодой физик по имени Альберт Эйнштейн совершил невозможное: он написал первую статью, наглядно доказывающую существование атомов.Суммарная энтропия всегда возрастает
Труды Больцмана и других физиков помогли прояснить природу вечного двигателя и даже разбить все существующие их схемы на два типа. Вечный двигатель первого типа нарушает первый закон термодинамики; это означает, что он попросту производит больше энергии, чем потребляет. В любом из подобных вечных двигателей физикам при тщательном исследовании физики удавалось обнаружить скрытые внешние источники энергии. Это могло быть как сознательным мошенничеством, так и результатом ошибки изобретателя.
Вечный двигатель второго типа — штука более сложная. В этих машинах соблюдается первый закон термодинамики, т. е. сохраняется энергия, но нарушается второй закон. Теоретически в вечном двигателе второго типа[31] нет потерь тепла, поэтому он эффективен на 100%. Но второй закон термодинамики говорит, что такая машина невозможна — потери тепла должны быть обязательно, а количество беспорядка во Вселенной, иначе энтропия, всегда возрастает. Какой бы эффективной ни была машина, часть тепла непременно теряется, повышая таким образом энтропию Вселенной.
Тот факт, что суммарная энтропия всегда возрастает, лежит в самом сердце человеческой истории, да и матери-природы тоже. В сущности второй закон говорит нам, что ломать гораздо проще, чем строить. Иногда то, что создавалось тысячи лет, как, например, великая империя ацтеков в Мексике, может быть разрушено за несколько месяцев; именно так произошло, когда потрепанная банда испанских конкистадоров с лошадьми и огнестрельным оружием потрясла основы империи и полностью разрушила сложный механизм.
Отмечая глубинную природу второго закона термодинамики, астроном Артур Эддингтон однажды сказал: «Мне кажется, что закон возрастания энтропии стоит выше других законов природы.,, если оказывается, что твоя новая теория противоречит второму закону термодинамики, оставь надежду; перед этим законом остается только униженно пасть».
Даже сегодня предприимчивые инженеры (и талантливые шарлатаны) продолжают время от времени изобретать вечный двигатель. Не так давно Wall Street Journal попросил меня высказать свое мнение о работе одного изобретателя, который успел уже убедить инвесторов вложить в изобретенную им машину миллионы долларов. В крупных финансовых газетах появились восторженные статьи; журналисты, ничего не смыслящие в науке, с придыханием писали о том, что это изобретение способно изменить мир (и, разумеется, принести попутно инвесторам сказочную, немыслимую прибыль). «Гений или безумец?» — кричали заголовки.
Инвесторы радостно спешили вложить деньги в новую машину— а она, между прочим, нарушала базовые законы физики и химии, изучаемые в средней школе. (Меня шокировало даже не то, что кто-то пытался обмануть неосторожных и оставить их с носом — подобными вещами люди занимались испокон веков. Удивительно другое: как легко удалось этому изобретателю обмануть богатых инвесторов и как плохо большинство людей понимает элементарную физику.) Я ответил журналу известной пословицей: «Дурак легко расстается с деньгами» и любимым афоризмом Финеаса Барнума: «Каждую минуту на Земле рождается простофиля». Наверное, не стоит удивляться тому, что Financial Times, Economist и Wall Street Journal дружно напечатали большие редакционные статьи о разных изобретателях и их замечательных вечных двигателях.Три закона термодинамики и симметрия
Но все вышесказанное рождает и более глубокий вопрос: а почему, собственно, должны работать эти непогрешимые законы термодинамики? Эта загадка занимала ученых с того самого момента, когда эти законы были впервые сформулированы. Не исключено, что, зная ответ на этот вопрос, мы могли бы отыскать в законах термодинамики лазейки и сделать новые потрясающие открытия и изобретения, способные перевернуть мир.
В старших классах школы я испытал настоящее потрясение, когда узнал наконец истинную причину сохранения энергии. Оказывается, один из фундаментальных принципов физики (открытый математиком Эмми Нётер в 1918 г.) гласит: если система обладает симметрией, в ней обязательно действует какой-нибудь закон сохранения. Из предположения о том, что законы Вселенной не меняются со временем, следует поразительный результат: энергия в системе должна сохраняться. (Далее, если законы природы остаются неизменными, в каком бы направлении вы ни двигались, то сохраняется не только энергия, но и импульс в любом направлении. А если законы природы остаются неизменными при вращении, то сохраняется еще и угловой момент.)
Это буквально ошеломило меня. Я вдруг понял, что, анализируя звездный свет, дошедший до нас от далеких галактик с самой окраины видимой Вселенной, мы убеждаемся, что спектр этого света ничем не отличается от спектров, которые можно обнаружить на Земле. В свете, рожденном за миллиарды лет до появления и Земли, и Солнца, мы наблюдаем те же неоспоримые спектральные «отпечатки» водорода, гелия, углерода, неона и т. п., которые видим сегодня и на Земле. Другими словами, основные законы физики не изменились за миллиарды лет и одинаковы по всей Вселенной, до самых ее границ.
Я понял, что теорема Нётер означает как минимум, что энергия, вероятно, будет сохраняться если не вечно, то не один миллиард лет. Насколько нам в данный момент известно, ни один из фундаментальных законов физики со временем не изменялся, и потому закон сохранения энергии работает.
Теорема Нётер имеет для современной физики величайшее значение. Какую бы новую теорию ни придумали физики и о чем бы ни шла в ней речь — о происхождении Вселенной, о взаимодействиях кварков и элементарных частиц, об антивеществе, — мы обязательно начинаем с рассмотрения симметрии, которой подчиняется система. Вообще говоря, в настоящее время симметрия считается ведущим фундаментальным принципом в разработке любой теории. В прошлом на симметрию смотрели как на побочный результат теории — приятно, но не имеет большого значения. Сегодня мы понимаем, что симметрия — очень существенная и даже определяющая черта любой теории. Разрабатывая что-то новое, мы, физики, начинаем с симметрии, а затем уже выстраиваем вокруг нее теорию.
(Печально, но Эмми Нётер, как до нее Больцману, приходилось сражаться за признание не на жизнь, а на смерть. Ни один из ведущих институтов не готов был принять на постоянную работу женщину-математика. Наставник Нётер, великий математик Давид Гильберт, разъяренный очередной неудачной попыткой устроить Нётер на преподавательскую должность, воскликнул: «В конце концов, мы кто, университет или общество любителей бани?»)
В связи с этим возникает тревожный вопрос. Если энергия сохраняется только потому, что законы физики не меняются со временем, то не может ли быть, что в каких-нибудь необычных, редких обстоятельствах эта симметрия все-таки нарушается? Если в неожиданных и экзотических местах симметрия наших законов действительно нарушается, то и закон сохранения энергии в космических масштабах может нарушаться.
Подобная ситуация может возникнуть, в частности, если законы физики изменяются во времени или с расстоянием. (В романе Азимова «Сами боги» симметрия нарушается из-за пространственной дыры, соединившей нашу Вселенную с параллельной вселенной. В окрестностях этой дыры законы физики изменяются — и возникает возможность нарушения законов термодинамики. Точно также, если существуют пространственные дыры, т. е. кротовые норы, может нарушаться и закон сохранения энергии.)
Кроме того, в настоящее время горячо обсуждается вопрос, может ли энергия появляться из ничего; этот момент тоже может оказаться удобной лазейкой.Энергия из вакуума?
Вот мучительный вопрос: можно ли извлечь энергию из пустоты? Физики лишь недавно поняли, что на самом деле «пустота» вакуума вовсе не пуста, в ней кипит неиссякаемая активность.
Одним из активных сторонников и пропагандистов этой идеи[32] был эксцентричный гений XX в. Никола Тесла — достойный соперник Томаса Эдисона. Кроме того, он был одним из сторонников «энергии из пустоты», т.е. идеи о том, что вакуум может содержать в себе неимоверные количества энергии. Если это правда, то вакуум станет олицетворением «бесплатного сыра» — «волшебным горшочком», способным извлекать энергию в любых количествах буквально ниоткуда. Вакуум, который раньше считали пустым и лишенным всякого вещества, окажется бездонным кладезем энергии.
Тесла родился в маленьком городке на территории нынешней Сербии и в 1884 г. прибыл в Соединенные Штаты без единого цента в кармане. Вскоре он стал помощником Томаса Эдисона — помощником настолько блестящим, что превратился в соперника. Противостояние этих двух знаменитостей историки окрестили «войной токов». Эдисон считал, что мир можно электрифицировать при помощи машин постоянного тока, тогда как Тесла первым ввел переменный ток и успешно продемонстрировал, что его методы гораздо эффективнее методов Эдисона и допускают меньшие потери при передаче электричества на большее расстояние. Сегодня почти вся планета снабжается электричеством на базе патентов Теслы, а не Эдисона.
Всего у Теслы насчитывается больше 700 изобретений и патентов, некоторые из которых являются важнейшими историческими вехами современного электричества. Историки считают вполне вероятным, что Тесла придумал радио раньше, чем это сделал Гульельмо Маркони, официально признанный изобретателем радио, и работал с рентгеновскими лучами еще до их официального открытия Вильгельмом Рентгеном. (И Маркони, и Рентген позже были удостоены Нобелевской премии за изобретения, которые Тесла, вероятно, сделал на несколько лет раньше.)
Тесла также считал, что можно извлекать из вакуума энергию в неограниченных количествах, но, к сожалению, не привел в своих записках доказательства этого утверждения. На первый взгляд кажется, что «энергия пустоты» (или энергия, которая содержится в вакууме) нарушает первый закон термодинамики. Нет никаких сомнений в том, что энергия вакуума нарушает законы ньютоновой механики, но недавно вопрос о ней вновь возник на научном горизонте, но уже с совершенно нового направления.
Проанализировав данные со спутников, которые в настоящее время находятся на орбите, в частности со спутника WMAP, ученые пришли к поразительному выводу: не меньше 73% Вселенной состоит из темной энергии — энергии чистого вакуума. Это означает, что вакуум, разделяющий галактики, является одновременно величайшим резервуаром энергии Вселенной. (Эта темная энергия настолько колоссальна, что отталкивает галактики прочь друг от друга и может со временем разорвать Вселенную на части.)
Темная энергия наполняет всю Вселенную, все ее уголки, в том числе наши дома — и наши тела тоже. Количество темной энергии в космосе поистине астрономично и превосходит энергию всех звезд и галактик, вместе взятых. Можно также рассчитать количество темной энергии на Земле; окажется, что ее очень немного—слишком мало, чтобы подпитывать вечный двигатель. Тесла был прав: темная энергия существует; тем не менее в отношении количества такой энергии на Земле он ошибался.А может быть, нет?
Один из самых неприятных пробелов в современной физике состоит в том, что никто не может теоретически рассчитать то количество темной энергии, которое мы измеряем при помощи спутников. Если проводить расчет с позиций современной атомарной физики, то полученное число разойдется с экспериментальным результатом на 120 порядков! Это единица со 120 нулями! Без сомнения, это самое значительное расхождение между теорией и экспериментом за всю историю физики.
Суть в том, что никто не знает, как посчитать «энергию пустоты». Это один из важнейших вопросов физики (ведь со временем ответ на него определит судьбу Вселенной!), но пока мы не представляем, как можно рассчитать количество этой энергии. Ни одна из теорий не объясняет темной энергии, хотя экспериментальные доказательства ее существования очевидны.
Итак, в вакууме действительно заключена энергия, как и подозревал Тесла. Но плотность этой энергии, скорее всего, слишком мала, чтобы ее можно было извлекать и использовать. В огромных межгалактических пространствах полно темной энергии, а вот на Земле ее умещается только чуть-чуть. Но самое неприятное, что никто не знает, откуда взялась эта энергия и как можно рассчитать ее количество.
Я убежден, что закон сохранения энергии обусловлен глубинными космологическими причинами. Любое нарушение этого закона непременно означало бы серьезные сдвиги в наших представлениях об эволюции Вселенной. И загадка темной энергии заставляет физиков предпринимать новые и новые попытки решить этот вопрос.
Поскольку создание настоящего вечного двигателя может потребовать пересмотра фундаментальных законов физики на космологическом уровне, я склонен отнести вечный двигатель к III классу невозможности; это означает, на мой взгляд, что либо такой двигатель действительно невозможен, либо нам придется полностью пересмотреть наши представления о фундаментальной физике в космологическом масштабе — только в этом случае такая машина может получить право на существование. Что же касается темной энергии, то она остается одной из величайших незаконченных глав современной науки.
onua.org
Вечный двигатель первого рода невозможен, т. е. невозможна такая периодически действующая машина, которая давала бы работу в количестве большем, чем количество сообщенной извне энергии. [c.60]
V Первое начало можно выразить и в такой форме вечный двигатель первого рода невозможен, т, е, невозможно построить мащину, которая давала бы механическую работу, не затрачивая на это соответствующего количества молекулярной энергии или внутренняя энергия является функцией состояния, т. е. ее изменение не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы, [c.86]В практике горного дела необходимо учитывать многие химические реакции. Так, воздействие влаги на каменный уголь, хранящийся на воздухе, может привести к самовозгоранию. Поэтому при создании многих промышленных процессов необходимо знать условия и направление протекания тех или иных химических реакций. Как и все явления природы, химические реакции сопровождаются изменениями энергии, например выделением или поглощением тепла, излучением и т. п. Поэтому законы, определяющие течение химических превращений, связаны с законами превращения энергии. Эти законы составляют предмет особой науки — термодинамики. Ее приложение к химии называется химической термодинамикой. Основные законы термодинамики вытекают из многовековой практики человечества. Ее первый закон устанавливает невозможность создания машины, которая производила бы работу без затраты энергии —так называемого вечного двигателя первого рода. Второй закон термодинамики указывает на невозможность существования вечного двигателя второго рода, т. е. периодически действующей машины, которая производила бы работу за счет охлаждения окружающей среды. Такая машина могла бы, например, использовать неограниченные запасы энергии морей и океанов. [c.14]
О—10). Но, согласно равенству (1.1), работа, произведенная системой (машиной) за цикл, равна теплоте, которую система получила от окружающей среды в том же цикле. Для вечного двигателя первого рода эта теплота = О, следовательно, и работа цикла тоже будет равна нулю. Именно невозможность получения работы без затраты других форм энергии и является основным содержанием этой формулировки первого закона. [c.29]
Первый закон термодинамики, строго установленный Мейером (называемый в физике также законом сохранения энергии), утверждает, что энергия не исчезает и не создается, а переходит из одной формы в другую, другими словами, невозможно создать вечный двигатель первого рода . Воспользовавшись представлениями, развитыми в гл. 18 о функциях состояния [уравнения (174) и (180)], можно сформулировать первый закон термодинамики следующим образом внутренняя энергия системы есть функция состояния. Если бы внутренняя энергия не была функцией состояния, то при ее изменении в круговом процессе можно было бы получить дополнительное количество энергии, т. е. создать вечный двигатель первого рода , что противоречит первому закону термодинамики (одному из основных законов природы). [c.217]
Вечный двигатель первого рода невозможен, так как невозможно создать такую машину, которая производила бы работу без подведения энергии извне. [c.52]
Доказательством того, что внутренняя энергия является функцией состояния, может быть следующий пример. Допустим, что внутренняя энергия не является функцией состояния, а ее величина зависит от пути процесса. Тогда система в начальном состоянии с / ач приходит в конечное состояние с Укон, а при возвращении в начальное состояние другим путем имеет и а . Разность — свидетельствует о том, что изменяя состояние системы от р У до и обратно можно получить выигрыш в энергии, который можно обратить в полезную работу, т. е. создать вечный двигатель первого рода, а это противоречит первому закону термодинамики (см. 1.8). [c.18]
Если бы энергия изолированной системы могла увеличиваться без взаимодействия с окружающей средой, то можно было бы сконструировать вечный двигатель первого рода, под которым подразумевается машина, производящая работу без затраты энергии. Однако, согласно второй формулировке первого закона, [c.22]
Движение, являющееся формой существования материи, не может ни исчезать, ни возникать из ничего — оно лишь переходит из одной формы в другую. Поэтому в изолированной системе суммарная энергия, отвечающая всем видам движения, которая может быть охарактеризована общей работоспособностью системы, является величиной постоянной. Это положение равносильно утверждению о невозможности создания двигателя, который бы производил работу, не используя каких-либо источников энергии (вечный двигатель первого рода). [c.11]
В рамках первого закона термодинам 1ки возможно составление энергетических балансов термических процессов, но не рассматривается вопрос о направлении, в котором они могут происходить. В некоторых случаях, однако, этот закон позволяет предвидеть невозможность тех или иных процессов. Например, температура изолированного тела не может сама по себе увеличиться, Невозможность вечного двигателя первого рода, т. е. машины, производящей работу без энергетических затрат, также является примером процессов, запрещаемых первым законом. [c.27]
Неосуществимость вечного двигателя первого рода можно было бы сформулировать двояко с одной стороны, работу нельзя создать из ничего , с другой стороны, работу нельзя превратить в ничто . Что касается неосуществимости вечного двигателя второго "рода, то здесь инверсия формулировки исключена построить машину, все действие которой сводилось бы к затрате работы и нагреванию теплового источника, возможно. Это различие непосредственно вытекает из природы теплоты хаотическое тепловое движение частиц более вероятно, чем их направленное движение. Появление теплоты всегда знаменуется превращением энергии в малоэффективную форму вероятность того, что хаотическое движение получит определенную ориентацию (это привело бы к появлению направленной силы, способной совершать работу), ничтожна. Поэтому-то переход без ограничений теплоты в работу является невозможным, хотя работа может перейти в теплоту целиком. [c.82]
Вечный двигатель первого рода невозможен. [c.15]
Вечный двигатель первого рода (15) — циклически действующая машина, способная совершать работу без затраты теплоты. Постулат о невозможности подобного устройства является формулировкой первого начала термодинамики [c.308]
Запасы теплоты могут быть использованы и превращены в работу только при наличии холодильника ограничением этого процесса является разность температур. Отсюда следует, что наряду с вечным двигателем первого рода (стр. П) невозможно создать и вечный двигатель второго рода, который бы совершал работу за счет теплоты от тел с меньшей температурой, т. е. без всяких ограничений. [c.14]
Из равенства (2.3) следует, что работа в круговом процессе может совершаться только за счет затраченного извне определенного количества теплоты. Если бы оказалось, что 5 первый закон термодинамики часто формулируется так вечный двигатель первого рода невозможен. [c.47]
Таким образом, второй закон исключает возможность построения вечного двигателя второго рода так же, как первый закон исключает возможность построения вечного двигателя первого рода. [c.52]
Полный запас энергии изолированной системы постоянен Вечный двигатель первого рода невозможен т в невозможна такая периодически действующая машина которая давала бы работу в количестве большем чем количество сообщенной извне энергии [c.60]
Первое начало термодинамики может быть выражено в различных формулировках, которые в сущности равноценны, так как из каждой из них могут быть выведены все остальные. Одной из таких формулировок является указанное утверждение о невозможности построения вечного двигателя (первого рода). [c.93]
Все три закона термодинамики иногда формулируют как постулаты о невозможности создания вечного двигателя первого, второго и третьего рода. Вечный двигатель первого рода — это двигатель, который совершает работу, не потребляя энергии, что противоречит первому закону термодинамики. Вечный двигатель второго рода — двигатель, который превращает всю теплоту в работу, т.е. наруша- [c.41]
Невозможно построить вечный двигатель первого рода. [c.94]
Равенство (1) показывает, что невозможно построить такую машину, которая, повторяя произвольное число раз один и тот же процесс, давала бы возможность увеличить количество энергии в изолированной системе. Эта формулировка первого закона термодинамики часто дается в более сжатом внде вечный двигатель первого рода невозможен. [c.11]
Приведенные соотношения (22) и (23) являются математическим выражением первого закона термодинамики, который можно сформулировать следующим образом. Внутренняя энергия системы является однозначной функцией ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий, другими словами, количество теплоты, сообщаемое системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы. Иногда первый закон термодинамики формулируется так невозможен перпетуум-мобиле (вечный двигатель) первого рода, т. е такой периодически действующий двигатель, который совершал бы работу в большем количестве чем получаемая им извне энергия. [c.29]
Таким образом, первое начало — и соответственно невозможность вечного двигателя первого рода — закон совершенно строгий, а второе начало и соответственно невозможность вечного двигателя второго рода — закон вероятностный. [c.23]
В основе термодинамики лежат три обобщения, или принципа первый принцип термодинамики является законом сохранения энергии второй ее принцип характеризует направление всех естественных, самопроизвольно протекающих процессов менее общий третий принцип позволяет определить абсолютное значение одного из фундаментальных свойств вещества — его энтропии (см. 11.3). Эти принципы, или законы, являющиеся обобщением огромного опытного материала, могут быть выражены по-разному часто их формулируют в виде утверждения о невозможности осуществления Perpetuum mobile — вечного двигателя первого рода, в котором производимая машиной работа превышала бы количество подведенной теплоты вечного двигателя второго рода, в котором работа производилась бы за счет одного источника теплоты, и вечного двигателя третьего рода, в котором работа производилась бы за счет охлаждения источника энергии до абсолютного нуля температуры. [c.78]
Справедливость этого закона подтверждена тысячами неудачных попыток построить вечный двигатель (первого рода). Уже в конце ХУП1 века благодаря внедрению в промышленность паровых машин это стало настолько очевидным, что французская академия наук объявила, что она никогда не будет рассматривать проекты машин, обеспечивающих вечное движение. [c.15]
Первый закон термодинамики является отражением всеоби его принципа сохранения энергии, получившего обоснования в труда Первый закон термодинамики устанавливает переход различных видов энергии друг в друга всегда в строго эквивалентных соотношениях, в связи с чем общий запас энергии в изолированной системе остается постоянным. Этот закон определяет также невозможность создания вечного двигателя первого рода, т. е. машины, производящей работу без потребления энергии. В соответствии с первым законом для совершения работы необходима затрата теплоты плюс еще некоторое количество его, идущее на увеличение внутренней энергии системы. И наоборот, работа, [c.12]
С уравнением (1.11) можно связать еще одну известную формулировку первого начала нельзя построить perpetuum mobile (вечный двигатель) первого рода, т. е. машину, которая бы все время работала, черпая энергию из ничего . [c.6]
Создание нового производства или процесса получения нового вещества прежде всего требует выяснения возможности протекания химических реакций, которые при этом предполагается осуществлять. Первый закон термодинамики оказывается недостаточным для решения подобных задач, В пределах этого закона возможно составление энергетических балансов тепловых процессов, но не рассмотрение вопроса о направлении, в котором они могут проходить, В некоторых случаях первый закон термодинамики позволяет предвидеть возможность тех или иных процессов. Например, температура изолированного тела не может сама собой увеличиваться. Невозможен вечный двигатель, т. е. машина, производящая работу без затраты энергии (вечный двигатель первого рода), что также является примером процессов, запрещаемых первым законом. Однако в природе есть такие процессы, которые, хотя и не противоречат первому закону, все же в действительности не осуществляются, Так, тело не может приобрести поступательного движения за счет убыли своей внутренней энергии (охлаждения), хотя при этом соблюдался бы энергетический баланс, Не было бы противоречия с первым законом и в том случае, если бы тепло самопроизвольно переходило от холодного тела к горячему. Однако факты показывают, что все действительно происходящие в природе процессы отличаются определенной направленностью. Они совершаются сами собой только в одном направлении, хотя первый закон не запрещает их протекания в обратном направлении. Например, в нагретом с одного конца металлическом стержне происходит выравнивание температуры и установление теплового равновесия. Чтобы понять общность этого закона, достаточно вспомнить о таких процессах, как взрывы, взаимная диффузия двух газов или жидкостей с образованием раствора. После окончания таких процессов изолированная система уже не может сама собой вернуться в какое-либо из своих предыдущих состояний. Образовавшийся раствор не может сам разделиться на составляющие его компоненты, а продукты взрыва не могут сами вновь образовать исходные вещества. Можно сделать общий вывод в -иптемах, предоставленных самим себе, все процессы текут односторонне, т, е, в одном направлении, и достигают [c.36]
ПЁРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ, один из осн. за оков термодинамики является законом сохранения энергии для систем, в к-рых существ, значение имеют тепловые процессы (поглощение нли выделение тепла). Согласно П. н. т., термодинамич. система (напр,, пар в тепловой машине) может совершать работу только за счет своей внутр. энергии или к.-л. внеш. источника энергии, П. н. т чаете формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, к-рый совершал бы работу, не черпая энергию из нек-рого источника. [c.472]
Однако несмотря на огромное значение Первого начала для аксиоматки термодинамики, оно одно не объясняло принципиального отличия теплоты от работы, не позволяло предсказывать направление и пределы протекания различных процессов и положение равновесия. Все эти задачи были решены после постулирования Второго начала. Основная идея этого закона была высказана в 1824 г. французским инженером С. Карно. Наблюдая за работой водяной мельницы, он сравнил падение воды с переходом тепла от более нагретого тела к менее нагретому. И вода, и тепло в этих процессах могут совершать работу, зависящую от перепада уровней высот или температур. Карно сформулировал принцип, в дальнейшем получивший его имя для производства работы тепловой машиной необходимы два термостата с различными температурами. Это была исторически первая формулировка Второго начала. Однако Карно, исходивший из теории теплорода, нарушил в своих рассуждениях Первое начало, так как по аналогии с водяной мельницей допустил, что количество теплорода в системе остается неизменным, т. в. получил работу практически из ничего. Другими словами, он получил вечный двигатель первого рода, запретив своим принципом создание вечного двигателя второго рода, получающего работу из одного термостата. Позже стало ясно, что теплота, полученная системой из горячего термостата, равна сумме теплоты, отданной системой холодному термостату и совершенной работы. [c.313]
Приведенный пример объясняет, почему В. Оствальд [9] предложил назвать монотермический двигатель вечным двигателем второго рода, в отличие от вечного двигателя первого рода. Осуществление последнего двигателя повлекло бы за собой нарушение принципа эквивалентности. [c.240]
Принцип эквивалентности выражается равенством. Критерий нестатичности—неравенством. Происходит это вследствие того, что предложение о невозможности вечного двигателя первого рода можно обратить, иначе говоря, работу нельзя ни создать из ничего, ни превратить в ничто предложение же о невозможности вечного двигателя второго рода не допускает обращения, ибо не представляет никаких трудностей построить машину, вся деятельность которой сводилась бы к трате работы и нагреванию резервуара ([3], стр. 112). [c.250]
Из первого закона термодинамики следует, что вечный двигатель первого рода, т. е. двигатель, получающий всю или часть энергии из ничего, принципиально не может быть сконструирован. Таким образом, общая энергия полностью изолированной системы остается постоянной. (Если система не изолирована, общая энергия ее может изменяться.) Мы обозначим эту общую энергию Е. Она может слагаться из теплоты (которая, как показал Рамфорд, представляет собой одну из форм энергии), из механической или химической энергии или, временами, из других форм энергии. Термодинамика как наука выросла на изучении процессов, в ходе которых теплота при помощи соответствующих машин частично превращается в работу. Обозначим количество полученной системой теплоты через Р, а произведенную работу — через тогда можно составить простое уравнение [c.153]
Еще в 1775 году французская Академия наук постановила прекратить дальнейшие рассмотрения каких-либо проектов вечного двигателя — perpetuum mobile. Речь шла о вечном двигателе первого рода, т. е. о машине, которая, будучи однажды пущена в ход, совершала бы неограниченно долго работу, не получая энергии извне. [c.15]
Физическая химия (1980) -- [ c.13 ]Физическая химия (1987) -- [ c.13 , c.36 ]
Краткий курс физической химии Изд5 (1978) -- [ c.184 , c.444 ]
Учебник физической химии (1952) -- [ c.93 ]
Физическая химия Том 1 Издание 5 (1944) -- [ c.15 , c.239 ]
Понятия и основы термодинамики (1970) -- [ c.240 ]
Курс физической химии Том 1 Издание 2 (1969) -- [ c.31 ]
Курс физической химии Том 1 Издание 2 (копия) (1970) -- [ c.31 ]
Химическая термодинамика Издание 2 (1953) -- [ c.30 ]
Физическая химия для биологов (1976) -- [ c.62 ]
Учебник физической химии (0) -- [ c.100 ]
Краткий курс физической химии Издание 3 (1963) -- [ c.170 , c.438 ]
Термодинамика (0) -- [ c.17 ]
chem21.info
А на видео ниже представлена довольно простая конструкция, которую каждый может сделать у себя дома (если наберете достаточное количество магнитов). Неизвестно, насколько долго будет крутится эта штука, но даже если не учитывать потери энергии от трения, этот двигатель можно считать лишь условно вечным, потому что мощность магнитов со временем ослабевает. Но все равно, зрелище завораживает.
Конечно, мы рассказали далеко не о всех вариантах вечных двигателей, потому что людская фантазия, если и не бесконечна, то весьма изобретательна. Однако все существующие модели вечных двигателей объединяет одно – они не вечны. Именно поэтому Парижская академия наук с 1775 года решила не рассматривать проекты вечных двигателей, а Патентное ведомство США не выдает подобные патенты уже более ста лет. И все же в Международной патентной классификации до сих пор остаются разделы для некоторых разновидностей вечных двигателей. Но это касается лишь новизны конструкторских решений.
Подводя итог, можно сказать лишь одно: несмотря на то, что до сих пор считается, что создание действительно вечного двигателя невозможно, никто не запрещает стараться, изобретать и верить в неосуществимое.
Источник: techcult.ru
bashny.net
