Вечный двигатель первого рода

Вечный двигатель, перпетуум-мобиле (латинское perpetuum mobile переводится вечное движение) — воображаемая машина, которая, будучи раз пущена в ход, совершала бы работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергии извне. Возможность работы такой машины неограниченное время означала бы получение энергии из ничего.

Идея вечного двигателя возникла в Европе, по-видимому, в XIII веке (хотя существуют свидетельства, что первый проект вечного двигателя предложил индиец Бхаскара в XII веке). До этого проекты вечных двигателей неизвестны. Их не было у греков и римлян, которые разработали множество эффективных механизмов и заложили основы научных подходов к изучению природы. Ученые предполагают, что дешевая и практически неограниченная рабочая сила в виде рабов тормозила в античности разработку дешевых источников энергии.

Почему люди так упорно хотели построить вечный двигатель?

В этом нет ничего удивительного. В XII-XIII веке начались крестовые походы и европейское общество пришло в движение. Стало быстрее развиваться ремесло и совершенствоваться машины, приводящие в движение механизмы. В основном это были водяные колеса и колеса, приводимые в движение животными (лошадьми, мулами, быками, ходившими по кругу). Вот и возникла идея придумать эффективную машину, приводимую в движение более дешевой энергией. Если энергия берется из ничего, то она ничего не стоит и это крайний частный случай дешевизны — даром.

Еще популярнее идея вечного двигателя стала в XVI-XVII веках, в эпоху перехода к машинному производству. Число известных проектов вечного двигателя перевалило за тысячу. Создать вечный двигатель мечтали не только малообразованные ремесленники, но и некоторые крупные ученые своего времени, так как тогда не существовало принципиального научного запрета на создание такого устройства.

Уже в XV-XVII веке прозорливые естествоиспытатели, такие как Леонардо да Винчи, Джироламо Кардано, Симон Стевин, Галилео Галилей сформулировали принцип: «Создать вечный двигатель невозможно». Симон Стевин был первым, кто на основе этого принципа вывел закон равновесия сил на наклонной плоскости, что привело его в конце концов к открытию закона сложения сил по правилу треугольника (сложение векторов).

К середине XVIII века, после многовековых попыток создать вечный двигатель, большинство ученых стали считать, что сделать это невозможно. Это был просто экспериментальный факт.

С 1775 года Французская академия наук отказалась рассматривать проекты вечного двигателя, хотя и в это время у французских академиков не было твердых научных оснований принципиально отрицать возможность черпать энергию из ничего.

Невозможность получения дополнительной работы из ничего была твердо обоснована лишь с созданием и утверждением как всеобщего и одного из самых фундаментальных законов природы «закона сохранения энергии».

Сначала Готфрид Лейбниц в 1686 году сформулировал закон сохранения механической энергии. А закон сохранения энергии как всеобщий закон природы сформулировали независимо Юлиус Майер (1845), Джеймс Джоуль (1843–50) и Герман Гельмгольц (1847).

Врач Майер и физиолог Гельмгольц сделали последний важный шаг. Они установили, что закон сохранения энергии справедлив для животных и растений. До этого существовало понятие «живая сила» и считалось, что для животных и растений законы физики могут не выполняться. Таким образом, закон сохранения энергии был первым принципом, установленным для всей познанной Вселенной.

Последним штрихом в обобщении закона сохранения энергии стала специальная теория относительности Альберта Эйнштейна (1905 г.). Он показал, что закон сохранения массы (был такой закон) — часть закона сохранения энергии. Энергия и масса эквивалентны по формуле Е = mс², где с — скорость света.

Далее: Вечный двигатель второго рода

Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

Из
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.

20. Как связаны друг
    с другом теплоемкости при постоянном
    давлении и постоянном объеме?

21. Как вычислить
    работу при изобарном процессе?

В изобарном процессе
(p = const) работа, совершаемая газом,
выражается соотношением:

A = p (V2 – V1) = pΔV.

22. За счет чего
    совершается работа при изотермическом
    и адиабатическом процессах?

В изотермическом
процессе температура газа не изменяется,
следовательно, не изменяется и внутренняя
энергия газа, ΔU = 0.Первый закон
термодинамики для изотермического
процесса выражается соотношением Q =
A.Количество теплоты Q, полученной газом
в процессе изотермического расширения,
превращается в работу над внешними
телами. При изотермическом сжатии работа
внешних сил, произведенная над газом,
превращается в тепло, которое передается
окружающим телам.
Работа газа в адиабатическом процессе
выражается через температуры T1 и T2
начального и конечного состояний:

A = CV (T2 – T1).

23. Чему равна
    работа при изохорном процессе?

В изохорном процессе
(V = const) газ работы не совершает, A = 0.

24. Какими кривыми
    описываются изотерма и адиабата и как
    они выглядят в координатах «p
    – V»?

25. Какой процесс
    называется круговым? В чем разница
    между обратимым и необратимым процессом?

26. Что такое
    термический коэффициент полезного
    действия кругового процесса?

27. В чем суть
    неравенства Клаузиуса для энтропии
    замкнутой системы? Как формулируется
    второе начало термодинамики?

Второе
начало термодинамики является
законом, в соответствии с которым
макроскопические процессы, протекающие
с конечной скоростью, необратимы. второе
начало термодинамики —
физический принцип, накладывающий
ограничение на направление процессов,
которые могут происходить в термодинамических
системах.Второе начало термодинамики
запрещает так называемые вечные
двигатели второго рода, показывая,
чтокоэффициент полезного действияне
может равняться единице, поскольку для
кругового процесса температура
холодильника не может равняться
абсолютному нулю.Второе начало
термодинамики является постулатом,
не доказываемым в рамках
классическойтермодинамики. Оно было
создано на основе обобщения опытных
фактов и получило многочисленные
экспериментальные подтверждения.

Неравенство Клаузиуса:
Количество теплоты, полученное системой
при любом круговом процессе, делённое
на абсолютную температуру, при которой
оно было получено (приведённое количество
теплоты), неположительно.

Вечные двигатели: противоречащие законам физики

Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Схема машины Чарльза Редхеффера
(Изображение предоставлено: общественное достояние)

Практически сразу после того, как люди создали машины, они попытались создать «вечные двигатели», которые работали бы сами по себе и работали вечно. Однако устройства никогда не работали и, вероятно, никогда не будут работать так, как надеялись их изобретатели.

«Короче говоря, вечный двигатель невозможен из-за того, что мы знаем о геометрии Вселенной», — сказал Дональд Симанек, бывший профессор физики Университета Лок-Хейвен в Пенсильвании и создатель Музея нерабочих устройств. «Природа не дает примеров вечного двигателя выше атомного уровня».

Законы термодинамики

Насколько нам известно, вечный двигатель нарушил бы первый и второй законы термодинамики, сказал Симанек Live Science. Проще говоря, Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована из одной формы в другую. Вечный двигатель должен был бы производить работу без затрат энергии. Второй закон термодинамики гласит, что изолированная система будет двигаться к состоянию беспорядка. Кроме того, чем больше энергии трансформируется, тем больше ее тратится впустую. Вечный двигатель должен иметь энергию, которая никогда не тратится впустую и никогда не переходит в неупорядоченное состояние.

Тем не менее, незыблемость законов физики не помешала любопытным игнорировать их или пытаться их нарушить. Согласно онлайн-музею Симанека, первым задокументированным вечным двигателем было колесо, созданное индийским писателем Бхаскарой в 12 веке. Предположительно, он продолжал вращаться из-за дисбаланса, создаваемого контейнерами с ртутью вокруг его края. Другие попытки включают ветряную мельницу 16-го века, сифоны 17-го века и несколько водяных мельниц.

В то время как большинство попыток создания вечного двигателя были в духе научных исследований, другие стремились обмануть и заработать деньги. Самая известная мистификация с вечным двигателем была изобретена Чарльзом Редхеффером в 1812 году.  

Эпоха чудес и озорства

Вечный двигатель Редхеффера покорил жителей Филадельфии и Нью-Йорка и принес тысячи долларов. Это было дважды опровергнуто инженерами, что в конечном итоге привело к тому, что Редхеффер был изгнан из города, согласно «Вечному двигателю: история одержимости (открывается в новой вкладке)» (Adventures Unlimited, 2015) Артура В.Дж.Д. Орд-Юм.

Америка девятнадцатого века была расцветом розыгрышей. По словам Кимбрю Маклеода, автора книги «Шутники: проказники в современном мире (открывается в новой вкладке)» (NYU Press, 2014), внимание эпохи Просвещения к науке, обучению и получению знаний посредством личного опыта и наблюдений привело к увеличению числа людей искать явления, о которых они могли бы судить сами. Кроме того, повышение уровня грамотности означало, что больше людей были знакомы с такими понятиями, как вечный двигатель, и стремились увидеть машину, которая достигла этого.

Но, как писала Барбара Франко в «Кардиффском великане: обман столетней давности», «люди интересовались новыми науками, не понимая их по-настоящему… Публика девятнадцатого века часто не различала популярные и серьезные исследования в области предметам. Они слушали лекции, посещали театры, ходили в музеи любопытства, цирк и собрания возрождения с почти таким же энтузиазмом».

Эми Ридинг, автор книги «Знак внутри: большое мошенничество, хитрая месть и небольшая история большой аферы (открывается в новой вкладке)» (Vintage, 2013), отмечает своеобразную характеристику в американском понимании веселье. Людям, кажется, нравится быть захваченными историей, которая, как они знают, может быть неправдой, все равно влюбляться в нее, а затем удивляться, узнав, что их обманули. Тот факт, что Редхеффера фактически выгнали из города, предполагает, что публика начала 1800-х годов, возможно, еще не полностью приняла эту форму развлечения, хотя в последующие десятилетия они это сделают.

Вечный двигатель волнует Филадельфию

Согласно Орд-Хьюму, историки не знают предыстории Редхеффера до розыгрыша. Он появился на сцене в 1812 году, когда открыл для всеобщего обозрения дом у реки Шуйлкилл. Внутри находилась машина, которая, как он утверждал, могла продолжать двигаться вечно без прикосновения или какой-либо другой помощи.

Машина Редхеффера была основана на «предполагаемом« принципе »вечного движения, который предполагает, что постоянная нисходящая сила на наклонной плоскости может создавать постоянную горизонтальную составляющую силы», — сказал Симанек. По словам Орд-Хьюма, у машины был маятник с гравитационным приводом и большой горизонтальной шестерней внизу. Другая, меньшая шестеренка сцепилась с большей. И большая шестерня, и вал могли вращаться отдельно. На шасси размещались две аппарели, а на аппарелях находились грузы. Грузы должны были отталкивать большую шестерню от вала, а трение заставляло вал и шестерню вращаться. Вращающаяся шестерня, в свою очередь, приводила в действие сблокированную меньшую шестерню. Если грузы удалялись, машина останавливалась.

По данным Visual Education Project, источники расходятся во мнениях относительно суммы, которую Редхеффер взимает с ничего не подозревающих жителей Филадельфии за просмотр его машины. Одни говорят, что он брал 5 долларов, другие говорят, что он брал 1 доллар, а третьи говорят, что женщин пускали бесплатно или за 1 доллар. Тем не менее, цена не отпугнула очарованную публику, и машина стала сенсацией. На его подлинность делались ставки до 10 000 долларов.

Редхеффер был так доволен своей машиной и ее приемом, что лоббировал в штате Пенсильвания средства на постройку еще большей машины. 21 января 1813 года государство направило инспекторов для расследования, прежде чем раздать деньги. Именно тогда план Редхеффера развалился.

Первое разоблачение

По словам Орд-Хьюма, по прибытии инспекторы увидели, что машина находится в помещении с запертой дверью и отсутствующим ключом. Они могли видеть его только через окно. Один из инспекторов, Натан Селлерс, привел с собой своего сына Коулмана. Юный Коулман заметил, что шестерни в машине работают не так, как утверждал Редхеффер. Зубья в шестернях были изношены не с той стороны. Это означало, что грузы, вал и шестерня не приводили в движение меньшую шестерню в сторону; меньшая шестерня приводила в действие большее устройство.

Натан Селлерс поверил своему сыну и определил, что машина была подделкой. Однако вместо того, чтобы противостоять Редхефферу, он нанял Исайю Люкенса, местного инженера, для создания своего собственного вечного двигателя, который, по словам Орд-Хьюма, будет выглядеть и «работать» так же, как у Редхеффера. Люкенс сконструировал машину, похожую на машину Редхеффера, но с прочным плинтусом и квадратным куском стекла наверху. Четыре деревянных навершия, предположительно декоративные, находились поверх стекла и крепились к деревянным столбам. Lukens поместил заводной двигатель в плинтус. Один из наконечников был, по сути, наматывающим. Его можно было наматывать и питать двигатель весь день. Двигатель вращал вал, который приводил в движение шестерни.

Селлерс и Люкенс показали свою машину Редхефферу, который был потрясен, увидев, что его фальшивая машина, похоже, работает по-настоящему, согласно веб-сайту Университета Хьюстона The Engines of Our Ingenuity. Он предложил им деньги, чтобы узнать, как это делается. Селлерс и Люкенс не осудили его на месте, а позволили новостям о розыгрыше распространиться по всей Филадельфии.

Вечный двигатель перемещается в Нью-Йорк

Хотя Филадельфия была на пути к Редхефферу, низкая скорость связи того времени означала, что Нью-Йорк все еще оставался целью. Редхеффер снова настроил свою машину. Опять же, он привлек большие толпы. Среди зрителей был Роберт Фултон, инженер, наиболее известный разработкой первого успешного коммерческого парохода. Орд-Хьюм пишет, что, когда Фултон увидел машину, он воскликнул: «Да ведь это кривошипное движение!»

Фултон заметил, что скорость машины и издаваемый ею звук были неравномерными, как если бы она вращалась вручную. В некоторых сообщениях говорится, что машина также слегка раскачивалась. Согласно Орд-Хьюму, Фултон обвинил Редхеффера, который бушевал и провозглашал, что его машина реальна.

Фултон сделал предложение: Редхеффер позволит ему попытаться раскрыть настоящий источник энергии машины, а если он не сможет, он заплатит за любой ущерб, причиненный при попытке. Редхеффер согласился — вероятно, под давлением толпы посетителей — и Фултон начал отрывать доски от стены рядом с машиной, обнажая кетгутовый шнур. Шнур проходил через стену на верхний этаж. Фултон поспешил наверх, где увидел старика, сидевшего на стуле и одной рукой крутившего рукоятку, а другой евшего корку хлеба.

Поняв, что их обманули, толпа зрителей уничтожила автомат на месте. Редхеффер немедленно бежал из города.

Мало что известно о постобмане Редхеффера. Согласно книге Венди Беллион «Гражданин зритель: искусство, иллюзия и визуальное восприятие в ранней национальной Америке (открывается в новой вкладке)» (University of North Carolina Press, 2011), он построил еще одну машину в 1816 году, но никому не позволил ее увидеть. . Он получил на него патент в 1820 году, но ничего не известно ни об устройстве, ни о том, что стало с Редхеффером. Сам патент погиб в пожаре.

«Невозможность» вечного двигателя

Обман Редхеффера — самая известная в истории попытка создать вечный двигатель, но далеко не единственная. Однако большинство из них не были предназначены для того, чтобы выманивать у населения их деньги.

Почему люди продолжают пытаться создать вечный двигатель, когда все законы физики предполагают, что это невозможно?

«Я подозреваю, что ими движет неполное понимание физики», — сказал Симанек Live Science. «Взгляд изобретателей вечного двигателя на физику — это набор несвязанных между собой уравнений для конкретных целей. Им не удается уловить величайшую силу физики — ее логическое единство».

«Например, законы термодинамики не возникают сами по себе. Они выводятся из законов Ньютона и кинетической модели газов и хорошо проверены экспериментально… Нельзя просто отбросить один закон, который вам не нравится ‘ без разрушения всей логической структуры физики».

Симанек отметил, что большинство изобретателей вечных двигателей не верят, что их машины нарушают законы физики. «Некоторые предполагают, что некоторые специфические законы неприменимы, обычно закон сохранения энергии и законы термодинамики».

«Может ли быть место, где геометрия (и физика) отличается?» — сказал Симанек. «Возможно, но мы понятия не имеем, где найти это место, и можно задаться вопросом, сможем ли мы вообще отправиться туда или использовать его для наших целей… Это кабинетные спекуляции и научная фантастика, а не наука».

Если бы вечный двигатель работал, он должен был бы обладать определенными характеристиками. Он будет «без трения и совершенно бесшумным в работе. Он не будет выделять тепло из-за своей работы и не будет излучать никакого излучения, потому что это будет потеря энергии», — сказал Симанек. Даже в этом случае такая машина не будет работать вечно, потому что «из-за ее вращения ее части будут постоянно ускоряться, а мы знаем, что материя состоит из заряженных частиц, а ускоряющие заряды излучают энергию». Это приведет к изменениям в машине, что в конечном итоге замедлит ее работу или остановит.

Тем не менее, «если бы машина могла вращать колесо с постоянной скоростью в течение очень долгого времени без заметного уменьшения скорости и абсолютно без подводимой энергии, мы могли бы считать ее для всех практических целей вечным двигателем… Но это было бы всего лишь бесполезным любопытством, потому что, если бы мы попытались извлечь из него работу, оно вскоре остановилось бы до полной остановки», — сказал Симанек.

Большинство изобретателей вечных двигателей преследуют другую цель. «Они хотят производительности «сверхединицы» — машины, которая выполняет больше полезной работы, чем потребляет энергии», — сказал Симанек. Тогда у вас останется энергия для использования.

Помимо обмана общественности, это могло быть конечной целью Редхеффера. Согласно «Двигателям нашей изобретательности», даже после того, как обман был раскрыт, газеты Филадельфии предположили, что город упустил свой шанс бесплатно эксплуатировать водяные насосы. А патент Редхеффера 1820 года был на «машины для получения власти», согласно Проекту визуального образования. Но это были скорее пожелания, чем реальность.

Дополнительные ресурсы

• Музей неисправной техники
• Визуальный образовательный проект

Будьте в курсе последних научных новостей, подписавшись на нашу рассылку Essentials.

Свяжитесь со мной, чтобы сообщить о новостях и предложениях от других брендов Future. Получайте электронные письма от нас от имени наших надежных партнеров или спонсоров.

1. 1

   Первый крупный план сверхмассивной черной дыры, увеличенный искусственным интеллектом до «полного разрешения», и результаты ошеломляющие

2. 2

   Эфирный водоворот света превращается в гигантскую идеальную спираль над Аляской. Что это было?

3. 3

   На австралийском пляже найден гигантский 13-футовый крокодил с оторванной головой

4. 5

   Никогда ранее не встречавшееся «кристаллоподобное вещество», спрятанное в куске окаменевшей молнии, вероятно, является совершенно новым минералом

1. 1

   На австралийском пляже найден гигантский 13-футовый крокодил с оторванной головой

2. 3

   Астероид, убивший динозавров, все-таки не стал причиной долгой «ядерной зимы»

3. 4

   Причудливые, невиданные ранее вирусы, обнаруженные в мировом океане

4. 5

   Посмотрите, как SpaceX запускает свой огромный космический корабль в историческом испытательном полете

Вечный двигатель | Определение и факты

вечный двигатель

Смотреть все медиа

Похожие темы:

преобразование энергии
перебалансированное колесо
водяная мельница замкнутого цикла

Посмотреть весь связанный контент →

вечный двигатель , действие устройства, которое, однажды приведенное в движение, будет продолжать двигаться вечно, и для его поддержания не требуется дополнительной энергии. Такие устройства невозможны по основаниям, установленным первым и вторым законами термодинамики.

Вечный двигатель, хотя и невозможный для производства, на протяжении сотен лет очаровывал как изобретателей, так и широкую публику. Огромная привлекательность вечного двигателя заключается в обещании практически бесплатного и безграничного источника энергии. Тот факт, что вечные двигатели не могут работать, потому что они нарушают законы термодинамики, не останавливает изобретателей и торгашей от попыток нарушить, обойти или игнорировать эти законы.

В основном существует три типа вечных двигателей. К первому типу относятся те устройства, которые предназначены для передачи большего количества энергии от падающего или поворачивающегося тела, чем требуется для восстановления этих устройств в исходное состояние. Наиболее распространенным из них и самым старым является перебалансированное колесо. В типичном варианте гибкие рычаги крепятся к внешнему ободу вертикально установленного колеса. Наклонный желоб предназначен для передачи массы качения со сложенных плеч с одной стороны колеса на полностью выдвинутые плечи с другой. Неявное допущение состоит в том, что грузы прикладывают больше силы вниз на концах вытянутых рук, чем требуется для подъема их с другой стороны, где они удерживаются ближе к оси вращения за счет складывания рук. Это предположение нарушает первый закон термодинамики, также называемый законом сохранения энергии, который гласит, что полная энергия системы всегда постоянна. Первое такое устройство было предложено Виларом де Оннекуром, французским архитектором 13-го века, а настоящие устройства были построены Эдвардом Сомерсетом, 2-м маркизом Вустера (1601–1667 гг.), Иоганном Бесслером, известным как Орфирей (1680–1745 гг.). Обе машины продемонстрировали впечатляющие результаты благодаря своей способности работать в течение длительного периода времени, но они не могли работать бесконечно.

Еще одной неудачной попыткой создать вечный двигатель путем нарушения первого закона термодинамики была водяная мельница замкнутого цикла, такая как предложенная английским врачом Робертом Фладдом в 1618 году. Фладд ошибся, думая, что энергия, создаваемая водой, проходящей через мельничное колесо превысит энергию, необходимую для того, чтобы снова поднять воду с помощью винта Архимеда.

Вечные двигатели второго рода пытаются нарушить второй закон термодинамики, а именно, что некоторая энергия всегда теряется при преобразовании тепла в работу. Одним из наиболее заметных провалов в этой категории был заполненный аммиаком «зеромотор», разработанный в 1880-х годах Джоном Гэмджи в Вашингтоне, округ Колумбия.0003

Вечные двигатели третьего типа связаны с непрерывным движением, которое предположительно стало бы возможным, если бы можно было устранить такие помехи, как механическое трение и электрическое сопротивление. На самом деле такие силы можно значительно уменьшить, но полностью устранить без затрат дополнительной энергии невозможно. Ярким примером являются сверхпроводящие металлы, электрическое сопротивление которых полностью исчезает при низкой температуре, обычно где-то около 20 К.