• Вечный двигатель первого рода - двигатель (воображаемая машина), способный бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов. Их существование противоречит первому закону термодинамики. Согласно закону сохранения энергии
• Вечный двигатель второго рода - воображаемая машина, которая будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел (см. Демон Максвелла). Они противоречат второму закону термодинамики. Согласно Второму началу термодинамики , все попытки создать такой двигатель обречены на провал.

История

Индийский или арабский перпетуум мобиле с небольшими косо закрепленными сосудами, частично наполненными ртутью.

Попытки исследования места, времени и причины возникновения идеи вечного двигателя - задача весьма сложная. Не менее затруднительно назвать и первого автора подобного замысла. К самым ранним сведениям о Perpetuum mobile относится, по-видимому, упоминание, которое мы находим у индийского поэта, математика и астронома Бхаскары, а также отдельные заметки в арабских рукописях XVI в., хранящихся в Лейдене, Готе и Оксфорде . В настоящее время прародиной первых вечных двигателей по праву считается Индия. Так, Бхаскара в своем стихотворении, датируемом примерно 1150 г., описывает некое колесо с прикрепленными наискось по ободу длинными, узкими сосудами, наполовину заполненными ртутью. Принцип действия этого первого механического перпетуум мобиле был основан на различии моментов сил тяжести, создаваемых жидкостью, перемещавшейся в сосудах, помещенных на окружности колеса. Бхаскара обосновывает вращение колеса весьма просто: «Наполненное таким образом жидкостью колесо, будучи насажено на ось, лежащую на двух неподвижных опорах, непрерывно вращается само по себе» . Первые проекты вечного двигателя в Европе относятся к эпохе развития механики , приблизительно к XIII веку. К XVI - XVII векам идея вечного двигателя получила особенно широкое распространение. В это время быстро росло количество проектов вечных двигателей, подаваемых на рассмотрение в патентные ведомства европейских стран. Среди рисунков Леонардо Да Винчи была найдена гравюра с чертежом вечного двигателя.

Неудачные конструкции вечных двигателей из истории

Рис. 1. Одна из древнейших конструкций вечного двигателя

На рис. 1 показана одна из древнейших конструкций вечного двигателя. Она представляет зубчатое колесо , в углублениях которого прикреплены откидывающиеся на шарнирах грузы. Геометрия зубьев такова, что грузы в левой части колеса всегда оказываются ближе к оси, чем в правой. По замыслу автора, это, в согласии с законом рычага , должно было бы приводить колесо в постоянное вращение. При вращении грузы откидывались бы справа и сохраняли движущее усилие.

Однако, если такое колесо изготовить, оно останется неподвижным. Дифференциальная причина этого факта заключается в том, что хотя справа грузы имеют более длинный рычаг, слева их больше по количеству. В результате моменты сил справа и слева оказываются равны.

Рис. 2. Конструкция вечного двигателя, основанного на законе Архимеда

На рис. 2 показано устройство ещё одного двигателя. Автор решил использовать для выработки энергии закон Архимеда . Закон состоит в том, что тела, плотность которых меньше плотности воды, стремятся всплыть на поверхность. Поэтому автор расположил на цепи полые баки и правую половину поместил под воду. Он полагал, что вода будет их выталкивать на поверхность, а цепь с колёсами, таким образом, бесконечно вращаться.

Здесь не учтено следующее: выталкивающая сила - это разница между давлениями воды, действующими на нижнюю и верхнюю части погруженного в воду предмета. В конструкции, приведённой на рисунке, эта разница будет стремиться вытолкнуть те баки, которые находятся под водой в правой части рисунка. Но на самый нижний бак, который затыкает собой отверстие, будет действовать лишь сила давления на его правую поверхность. И она будет превышать суммарную силу, действующую на остальные баки. Поэтому вся система просто прокрутится по часовой стрелке, пока не выльется вода.

Патенты и авторские свидетельства на вечный двигатель

Литература

• Вознесенский Н. Н. О машинах вечного движения . М., 1926.
• Ихак-Рубинер Ф. Вечный двигатель . М., 1922.
• Кирпичёв В. Л. Беседы по механике . М.: ГИТЛ, 1951.
• Мах Э. Принцип сохранения работы: История и корень его . СПб., 1909.
• Михал С. Вечный двигатель вчера и сегодня . М.: Мир, 1984.
• Орд-Хьюм А. Вечное движение. История одной навязчивой идеи . М.: Знание, 1980.
• Перельман Я. И. Занимательная физика . Кн. 1 и 2. М.: Наука, 1979.
• Петрунин Ю. Почему идея вечного двигателя не существовала в античности? // Петрунин Ю.Ю. Призрак Царьграда: неразрешимые задачи в русской и европейской культуре. - М.: КДУ, 2006, с. 75-82

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Согласно историческим записям, первым человеком, предложившим построить подобную машину был 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 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 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 рода

Принцип 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.

Приведем для начала некоторые статистические дан­ные по ррт-1, относящиеся к интересующему нас пери­оду. Естественно, они носят отрывочный характер, но все же достаточно показательны.

По данным Британского патентного бюро за время с 1617 г. (год начала выдачи патентов) по 1903 г. было по­дано более 600 заявок на ррт-1. Но из них только 25 относятся ко времени до 1850 г.; все остальные были по­даны позже . Аналогичная картина наблюдалась и в других странах. Выходит, что как раз тогда, когда наука внесла в вопрос о ррт-1 полную ясность, произошла вспышка ин­тереса к ррт-1.

Этот очередной парадокс с вечным двигателем объясня­ется просто. Мы уже видели, какое ожесточенное сопроти­вление идеи Майера и Джоуля встретили в научных кругах. Что же говорить об инженерах и других технических спе­циалистах, и тем более о любителях, совсем далеких от науки?

Процесс распространения, внедрения и освоения новых представлений об энергии был довольно длительным. Ведь даже точные понятия об энергии, теплоте, работе и связан­ных с ними величинах окончательно установились только к середине XX в. . Даже к этому времени волна изобрете­ний ррт-1 еще не сошла на нет (и вместе с тем поднялась новая - пошли изобретения ррт-2; об этом - дальше).

Вернемся, однако, к изобретателям ррт второй поло­вины XIX и начала XX в. . Среди них были и честные энтузиасты, и проходимцы, не уступавшие самому Орфи - реусу. Если говорить о тех, кто вполне искренне верил в возможность ррт-1 и работал над ним, то большинство их творений удивительно напоминает то, что уже было изо­бретено раньше. Но есть и плоды новых веяний, связанных, главным образом, с электричеством.

Во всех случаях изобретатели, как и их средневековые предшественники, непоколебимо верили в успех своих раз­работок. Об этом свидетельствует хотя бы то, что на мно­гих из них были предусмотрены тормоза, чтобы двигатель не разнесло при слишком больших оборотах.

Подробно описывать большую часть изобретений ррт-1, повторяющих уже известные идеи, нет смысла. При­ведем для примера только четыре их образца.

ШшшшшшЙш

Из этой идеи опять, естественно, ничего не получится, так как тяжелая жидкость, несмотря на то, что ее уровень ниже, выталкивает шары с той же архимедовой силой, с которой это делает легкая жидкость. В обоих коленах уровни жидкости автоматически (как будто они знают за­кон сохранения энергии) установятся так, чтобы эти силы сравнялись и устройство не работало.

ШшшшшшЙш

Рис. 2.7. Вечный двигатель К. Кайля Рис. 2.8. Капиллярно-фитильный вечный двигатель

Третий пример (рис. 2.8) относится к концу XIX в.; этот двигатель тоже повторяет старую «капиллярно-фитильную» идею. Жидкость под действием сил поверхностного натя­жения поднимется по фитилю, но эти же силы не дадут ей стекать в верхний резервуар.

Наконец, на рис. 2.9 показан гидравлический (поплав­ковый) двигатель, который был предложен американцем Г. Готцем. Двухколенная трубка круглого сечения запол­нена двумя несмешивающимися жидкостями разной плот­ности (например, ртутью и водой). Трубы заполнены ша­рами, плотность которых такова, что они всплывают даже в более легкой жидкости. По мысли автора шары в правом колене будут постоянно (под действием веса тех трех ша­ров, которые находятся над жидкостью) проталкиваться в левое колено трубы и там всплывать. Очередной всплыв­ший в левом колене шар должен сваливаться на колесо, приводя его в движение своим весом, и возвращаться в правое колено.

В завершение следует удивительный пассаж: «И вот се­годня выход из планетарного тупика видится в использо­вании холодного ядерного синтеза, а в дальнейшем - в прямом превращении материи в энергию как экологически чистого и безопасного метода получения тепловой и элек­трической энергии, что в 1000 раз эффективнее ядерного реактора»1. Вот так!

Совершенно естественно, что этакий глобальный пере­ворот должен сказаться не только в энергетике; он неиз­бежно приведет к радикальным изменениям в судьбах че­ловечества. Представители ученого мира в такой ситуации не могли остаться в стороне.

Корреспондент «БСТ» Владимиров цитирует мнение профессора, доктора технических наук, зав. кафедрой МАДИ Л. Г. Сапогина. «Теплогенератор Потапова» (кото­рого он характеризует как «создателя унитарной кванто­вой теории, обуславливающей энергетику будущего тыся­челетия») - это прорыв в науке и технике. Его изделие по всем показателям и простоте технических решений не имеет аналогов.

Очевидно - явление высокоэффективного превраще­ния вещества в энергию. При этом соблюдается закон со­кращения (возможно опечатка - «закон сохранения» - В. Б). А высокий эффект разумно объясняет квантовая те­ория. Это по сути квантовый генератор».

Другой доктор наук, профессор В. Никитский (научно - исследовательский центр «Энергия») заявил: Мы... счи­таем, что сейчас нет никаких преград для установки на космических кораблях и станциях теплогенераторов топ­лива... Думаю, что применение теплогенераторов и устано­вок Потапова в космосе - решение энергетической про­блемы».

Весь этот сценарий удивительно схож с историей изо­бретений Кили, описанной выше (за исключением, правда, ее романтической части, связанной с участием вдовы мил­лионера). В остальном сходство удивительное, включая уро­вень профессорской «научной экспертизы» в традициях сторонника Кили - профессора У. Лесслес-Скотта. Как тут не вспомнить «эфирную силу» Кили для расщепле­ния воды! Правда, в духе времени она заменена на дей­ствие «квантового генератора», а «внедрение» предполага­ется уже не на морских судах, а в космосе. Меняются лишь словесная оболочка и имена, а неприглядное существо - безграмотность, остается...

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 . 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.

Колесо Бхаскара и подобные проекты вечных двигателей

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

Вечный двигатель из цепочки поплавков

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

Вечный двигатель на постоянных магнитах

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.

В продолжение нашего курса «Физика для чайников» начнем рассматривать основы такого важнейшего раздела как термодинамика .

Активное развитие термодинамики началось в девятнадцатом веке. Именно тогда люди начали строить первые паровые машины, а потом активно внедрять их в производство. Началась промышленная революция, и, естественно, всем хотелось увеличить коэффициент полезного действия машин, чтобы произвести больше продукции, доехать подальше и в конце-концов получить больше денег. Все это очень хорошо стимулировало развитие науки и наоборот. Но давайте ближе к сути вопроса.

Термодинамика – раздел физики, изучающий макроскопические системы, их наиболее общие свойства, способы передачи и превращения энергии в таких системах.

Что такое макроскопические системы? Это системы, состоящие из очень большого числа частиц. Например, баллон с газом или воздушный шар. Описание таких систем методами классической механики просто невозможно – ведь мы не можем измерить скорость, энергию и другие параметры каждой молекулы газа в отдельности. Тем не менее, поведение всей совокупности частиц подчиняется статистическим закономерностям. По сути любой видимый нами (невооруженным глазом) предмет может быть определен как термодинамическая система.

– реально или мысленно выделяемая макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц, не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц. Соответственно, для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры, не относящиеся к каждой частице, но описывающие систему целиком. Это температура, давление, объем, масса системы и проч.

Важно отметить, что термодинамические системы могут быть замкнутыми и незамкнутыми . Замкнутая система – это такая система, которую при помощи реальной или воображаемой оболочки оградили от окружающей среды, при этом количество частиц в системе остается постоянным.

Система может находится в разных состояниях. Например, мы взяли баллон с газом и начали его нагревать. Тем самым мы изменили энергию молекул газа, они стали двигаться быстрее, и система перешла в какое-то новое состояние с более высокой температурой. Но что будет, если систему оставить в покое? Тогда система через какое-то время придет в состояние термодинамического равновесия .

Что это значит?

Термодинамическое равновесие – это состояние системы, в котором ее макроскопические параметры (температура, объем и др.) остаются неизменными с течением времени.

Термодинамика стоит на трех своих столпах. Существуют три основных постулата или три закона термодинамики. Они называются соответственно первым, вторым и третьим началами термодинамики. Рассмотрим первое начало или первый закон термодинамики.

Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики гласит:

В любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.

К слову, у данного постулата есть еще несколько эквивалентных формулировок. Приведем их ниже:

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил.

Невозможен вечный двигатель первого рода (двигатель, совершающий работу без затраты энергии).

Запишем также математическое выражение первого начала термодинамики:

Здесь Q - количество теплоты, дельта U - изменение внутренней энергии, A - работа против внешних сил. Для различных термодинамических процессов в силу их особенностей запись первого начала будет выглядеть по-разному.

Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

Людей издревле привлекала ее величество Халява. Философский камень, превращающий любой металл в золото, скатерть самобранка, с которой не нужно готовить, джин, исполняющий любые желания. Еще одной такой идеей была идея вечного двигателя.

Вечный двигатель невозможен, потому что так устроен мир . Об этом говорят нам законы термодинамики. Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил. Например, газ, помещенный в цилиндр с поршнем, получая определенное количество теплоты, увеличивает свою внутреннюю энергию, молекулы движутся быстрее, газ занимает больший объем и толкает поршень (работа против внешних сил). Иными словами, если работа совершается без внешнего притока энергии, она может совершаться лишь за счет внутренней энергии системы, которая рано иди поздно иссякнет, преобразовавшись в совершенную работу, на чем все закончится и система придет к состоянию термодинамического равновесия. Ведь энергия в мире никуда не уходит и не приходит, ее количество остается постоянным, а меняется лишь форма. Конечно, Вы обратили внимание на то, что речь идет о так называемом вечном двигателе первого рода (который может совершать работу без энергии). Спешим заверить, существование вечного двигателя второго рода также невозможно и объясняется вторым началом термодинамики, о котором мы поговорим в ближайшем будущем.

Надеемся, знакомство с термодинамикой прошло для Вас приятно и Вы полюбите ее всем сердцем. Если же этого не произойдет, Вы всегда можете поручить выполнение задач по термодинамике нашим авторам , пока сами занимаетесь более приятными делами.