Утверждение закона сохранения энергии - первого закона термодинамики - сделало попытки создать perpetuum mobime -1 абсолютно безнадежным занятием. И хотя они все еще продолжаются, «генеральное направление» мыслей создателей вечных двигателей изменилось. Новые варианты вечных двигателей рождаются уже в полном согласии с первым началом термодинамики; сколько энергии поступает в такой двигатель, ровно столько же и выходит. Эти двигатели даже называют иначе, чтобы избежать термина «вечный двигатель»
Тем не менее, несмотря на согласие с первым законом и маскирующие названия, эти двигатели остаются типичными perpetuum mobile и сохраняют их основной признак - абсолютную невозможность осуществления
Дело в том, что соблюдение какого-либо одного, даже очень важного закона вовсе не гарантирует возможность того или иного явления. Каждое из них определяется несколькими законами. Поэтому оно может происходить только в том случае, если не нарушает ни одного из тех законов, которые к нему относятся
В частности, для любых тепловых машин соблюдение первого начала термодинамики необходимо, но не достаточно. Существует еще и второе начало термодинамики, соблюдение требований которого столь же обязательно. Новые вечные двигатели, о которых пойдет речь ниже, относятся именно к тепловым машинам; они могли бы работать, только нарушая ограничения, полагаемые вторым законом термодинамики. Поэтому такой двигатель и был назван «вечный двигатель второго рода». Впервые этот термин ввел известный физико-химик В.Оствальд в 1982 году по аналогии со старым классическим perpetuum mobile -1
Кто придумал первый perpetuum mobile -2, установить трудно; во всяком случае, они появились не ранее последней четверти XIX века. В принципах вечных двигателей второго рода нет такого разнообразия, как в принципах создания вечного двигателя первого рода. Основная идея perpetuum mobile -2 едина для всех самых разнообразных проектов
Ведущий идеолог данного направления профессор В.К.Ощепков ставит задачу таким образом: «…отыскать такие процессы, которые позволили бы осуществить прямое и непосредственное преобразование тепловой энергии окружающего пространства в энергию электрическую. В этом я вижу величайшую проблему современности». И далее: «…открытие способов искусственного сосредоточения, концентрации рассеянной энергии с целью придания ей вновь активных форм будет таким открытием в истории развития материальной культуры человечества, что … можно сравнить разве только с открытием первобытным человеком способов искусственного добывания огня»
Если вникнуть в существо перспектив рассматриваемой идеи, то она сводится к тому, что рассеянная «тепловая энергия» окружающего пространства «извлекается», концентрируется и превращается в электрическую энергию, способную производить работу. Нарушения первого закона термодинамики здесь нет. Сколько энергии забирается из «окружающего пространства», столько и превращается в электроэнергию
Такая идея, действительно, чрезвычайно заманчива. «Концентрированная» энергия использовалась бы для нужд человечества, «рассеивалась» бы при этом в окружающей среде, а затем ее можно было бы снова «концентрировать» и пускать в дело. В энергетике человечества осуществился бы вечный круговорот энергии, который позволил бы сразу «убить двух зайцев» - снять как проблему поиска источников энергии, так и проблему теплового, химического и радиационного загрязнения окружающей природы
Чтобы проанализировать все стороны этой грандиозной идеи научно, нужно прежде всего уточнить используемую ее авторами терминологию, перевести ее на современный научный язык
Прежде всего отметим, что «окружающее пространство» само по себе энергии не содержит. Энергия содержится только в материальной среде (веществе или поле), заполняющей это пространство. Поэтому правильно было бы говорить «окружающая среда». Но и такая формулировка тоже не годится. Термин «окружающая среда» имеет разное содержание в зависимости от того, как его использовать. Здесь могут быть два случая
В первом случае под окружающей средой понимают все то, что находится вне границ системы (в данном случае двигателя). Это означает, что в окружающую среду входят по крайней мере атмосфера, гидросфера и литосфера земли, в которых существуют разности давления, температур и химического состава. Следовательно, она включает и запасы топлива, гидроэнергетические ресурсы и так далее. Другими словами в окружающей среде, определяемой таким образом, нет равновесия
Используя неравновесность в окружающей среде, человек всегда получал необходимую ему энергию как в форме теплоты, так и в форме работы. Если бы эта среда была равновесной, то есть вся имела бы один и тот же усредненный и равномерно распределенный химический состав, одну и ту же температуру, одно давление, один уровень воды, одинаковый везде электрический заряд и так далее, то все кругом было бы мертво и неподвижно. Именно неравновесность, наличие разности потенциалов во внешней среде и определяют возможность существования всей энергетики
При такой трактовке термина «окружающая среда» извлечение из нее энергии и превращение ее в работу или электроэнергию давно известно. Ничего нового в таких процессах нет: так всегда и делалось
Во втором случае под окружающей средой понимают только равновесную часть всего окружения системы. Основанием для введения такого более узкого, локального понятия служит то, что в окружении системы всегда имеется в практически неограниченном количестве некая среда, имеющая одни и те же температуру, давление и химический состав. Примером такой среды может служить, например, вода у поверхности океанов, морей, других больших водоемов или атмосферный воздух у поверхности земли. Существующие в них некоторые небольшие разности потенциалов в круг рассмотрения не входят
Такая равновесная окружающая среда, как показывает многовековой опыт человечества, не может служить источником энергии, поскольку никаких разностей потенциалов, неравновесностей, которые можно было бы использовать, в ней нет. Она ведет себя, как та «мертвая вода» без разницы уровней, о которой писал Леонардо да Винчи
Наконец, о первой части выражения «тепловая энергия окружающего пространства». Поскольку теплота есть энергия только в процессе перехода, говорить о «тепловой энергии», да еще «содержащейся» в окружающей среде, некорректно. Энергия теплового движения частиц составляет часть внутренней энергии тела, причем выделить ее «в чистом виде» практически невозможно. Поэтому в науке пользуются термином «внутренняя энергия»
Разберем понятия «концентрация» и соответственно «рассеяние» энергии
Концентрация - это понятие, связанное с сосредоточением чего-либо в определенном месте (объеме или поверхности). Применимо к энергии это соответствует ее количеству, приходящемуся на единицу объема или поверхности (Дж/м 3 или Дж/м 2). Если это количество растет, говорят о концентрировании энергии, если падает - о ее рассеянии
Сторонники perpetuum mobile -2 используют этот термин в смысле, не имеющим отношения к действительному ее содержанию. Они называют «концентрированной» энергией электрическую энергию и работу, а «рассеянной» - внутреннюю энергию тел и теплоту. Однако разница в них не в концентрации, а в степени упорядоченности, организованности движения частиц. Именно эта упорядоченность и определяет в основном качественную сторону энергии, ее работоспособность
Теперь, после уточнения всех терминов, мы можем вернуться к принципиальным основам perpetuum mobile -2. Становится очевидным, что его идея основана на получении работы из равновесной окружающей среды путем использования той части ее внутренней энергии, которая связана с хаотическим тепловым движением молекул
В.К.Ощепков назвал такой процесс ученым термином «энергетическая инверсия» (инверсия - от лат. inversio - «перестановка», «переворачивание»). Другими словами, это - обратное превращение части внутренней энергии равновесной окружающей среды в электроэнергию или работу
Именно такой процесс запрещен вторым началом термодинамики. Поэтому, чтобы доказать возможность создания вечного двигателя второго рода, нужно неизбежно опрокинуть или обойти «стоящий на дороге» второй закон термодинамики
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:
- У машины не должно быть никаких «трущихся» частей, любые движущиеся части не должны касаться других частей, так как иначе между ними возникнет трение. Это трение в конечном счете приведет к тому, что машина начнет терять энергию. При соприкосновении частей возникает тепло, и именно это тепло и есть энергия, потерянная машиной. Вы скажете, что тогда нужно сделать устройство с гладкой поверхностью, чтобы не возникало трение. Но это невозможно, так как не бывает совершенно гладких объектов.
- Машина должна работать в вакууме, без воздуха. Это исходит из первого условия. Эксплуатация машины в любом месте заставит ее терять энергию из-за трения между движущимися частями и воздуха. Хотя потери энергии из-за трения воздуха очень малы, для вечного двигателя это серьезная проблема. Если есть хотя бы минимальные потери энергии, машина начнет останавливается и в конце концов остановится совсем из-за этих потерь, даже если это займет очень много времени.
- Машина не должна издавать никаких звуков. Звук также форма энергии, и если машина издает любой звук, это означает, что она также теряет энергию.
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.
Есть "Вечный двигатель второго рода"!
...- Г-голубчики, - сказал Федор Симеонович озадаченно, разобравшись в почерках. - Это же п-проблема Бен Б-бецалая. К-калиостро же доказал, что она н-не имеет р-решения.Мы сами знаем, что она не имеет решения, - сказал Хунта, немедленно ощетиниваясь. - Мы хотим знать, как ее решать.
К-как-то ты странно рассуждаешь, К-кристо... К-как же искать решение, к-когда его нет? Б-бесмыслица какая-то...
Извини, Теодор, но это ты странно рассуждаешь. Бессмыслица - искать решение, если оно и так есть. Речь идет о том, как поступать с задачей, которая решения не имеет...
А.Стругацкий, Б.Стругацкий. Понедельник начинается в субботу.
Уважаемые Господа!
Вечный двигатель второго рода это такой двигатель, который не подчиняется Второму закону термодинамики.
В 1824 году С. Карно в своем сочинении «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» высказал мысль, что «тепловая машина не поглощает тепло, превращая ее в работу, а передает его холодному телу». В. Томпсон (лорд Кельвин), Р. Клаузиус, М. Планк возвели эту мысль в ранг закона. Современная трактовка Второго закона термодинамики звучит так: "Для перевода теплоты в работу необходим источник тепла и охладитель более низкой температуры". Того, кто осмеливался противоречить этому закону, называют изобретателями вечного двигателя второго рода.
Этот закон распространяется на тепловые электростанции. Наверное, все знают, что для выработки электроэнергии надо подвести тепло к воде в парогенераторе «ПГ» (см. Рис. 1), затем испарить ее и поднять давление пара. После этого пар с высоким давлением поступает в турбину «Т», вращает ее ротор вместе с ротором генератора «Г», а последний вырабатывает электроэнергию. После турбины, пар с низким давлением поступает в конденсатор «К» (охладитель) и там конденсируется - пар переходит в состояние жидкости (воды). После конденсатора, вода снова подается в парогенератор конденсатным насосом «КН».
При отводе тепла из конденсатора, в окружающую среду (реки, озера, моря) выбрасывается более половины подведенного тепла. Вот как мы греем "матушку Землю!
Выброс тепла в конденсаторе делается для того, чтобы уменьшить затраты энергии на поднятие давления пара. Для поднятия давления водяного пара с низким давлением, сначала его надо перевести в состояние жидкости (сконденсировать), поднять давление воды в насосах, подать в парогенератор, снова подвести к воде тепло для ее испарения и поднятия давления пара.
Я решил придумать что-нибудь для увеличения КПД цикла и улучшения экологической обстановки в местах размещения ГРЭС, ТЭЦ, АЭС.
Для изобретательства в теплоэнергетике надо знать азы термодинамики.
При нормальных условиях для выкипания воды, сначала надо нагреть ее до 100°С, затем подвести тепло для испарения. Испарение происходит при отрыве молекул воды с поверхности кипения. О распределении внутренних энергий в процессе кипения можно судить по Рис.2.
 |
Здесь, I" - теплота идущая на нагрев воды до температуры кипения.
R - теплота идущая на испарение кипящей воды - теплота парообразования
При дальнейшем подводе тепла к пару, идет его перегрев – увеличение внутренней энергии с повышением температуры.
Теплота парообразования R состоит из теплоты разъединения молекул U и теплоты расширения L. При нормальных условиях теплота расширения L в 12,5 раз меньше теплоты разъединения U.
В процессе получения электроэнергии, теплота разъединения U выбрасывается в окружающую среду, а теплота расширения L участвует в полезной работе. Вот из-за неё то и вся драка пойдет.
Я подумал, все дело в состоянии массы - жидкое оно, или газообразное. Как это так? Для поднятия давления в жидкости надо затратить энергии во много раз меньше, чем для поднятия того же давления в паре? Значит надо найти другой, менее энергоемкий способ поднятия давления пара, или найти другой способ перевода пара в состояние жидкости (воды).
Известно, что "Удавалось перегревать воду при нормальных условиях на десятки градусов. Однако, в конце концов, такая вода вскипает. Кипение происходит крайне бурно, напоминая взрыв".
Я задал себе задачу успокоить перегретую воду - найти способ ее успокаивания (чтобы не взрывалась). Потом создать такие условия, когда внутренняя энергия перегретой воды была бы больше, чем внутренняя энергия пара при том же давлении сжатия.
Моя профессия - инженер теплоэнергетик, специализация - виброналадка вращающегося оборудования. Т.е. в голове всякие ускорения, центробежные силы и др. Поэтому, возник вопрос, как влияют центробежные силы инерции на процесс кипения жидкости?
Представьте, что Вас послали на Солнце в барокамере и термостате. На Солнце вес увеличивается в 30 раз и составит для человека 2 - 3 тонны. Ну и как в этих условиях бегать, прыгать? Короче, летальный исход от веса! Ну а молекулы воды другое дело. К ним можно подвести много тепла и тогда произойдет их отрыв (прыжок) с поверхности. Но с увеличением тепла в жидкой массе должна расти ее температура кипения. Т.е. воду для кипения надо будет нагревать не до 100°С, а до большей температуры.
 |
Имитировать увеличение веса в молекулах воды можно во вращающемся цилиндре (см. Рис. 3). Вес молекул увеличится от возрастания центробежных сил в массе.
Я провел опыт по испарению воды во вращающемся цилиндре. При увеличении центробежных сил, от увеличения радиуса поверхности кипения возрастала температура кипения. В первом приближении определил увеличение внутренней энергии, при увеличении радиуса кипения на один сантиметр.
Получилось, что температура кипения чистой воды увеличивается не только от увеличения давления сжатия, но и от увеличения центробежных сил в молекулах на вращающейся поверхности. Этот эффект был также открыт в 1971 году в Америке.
Согласно данных измерений в опыте, я просчитал, что для того, чтобы внутренняя энергия кипящей воды была равна внутренней энергии пара, при нормальных условиях, надо иметь радиус внутренней вращающейся поверхности воды в цилиндре 1,9 метра. Т.о. если этот радиус будет больше, то пар с нормальными параметрами будет переходить в состояние жидкости на этой поверхности (силы не хватит оторваться от поверхности "Солнца"). Процесс перехода пара в состояние жидкости на вращающейся поверхности назван «Коллапсация пара".
Расчеты показали, что энергия массы, вращающейся с частотой n = 3000 об/мин на поверхности с радиусом 1,9 метра близка к энергии движения массы со звуковой скоростью и к теплоте расширения L.
Материалы по опытам со сверхзвуковыми движениями потоков газов говорят об одной физической природе скачков уплотнения на острие крыла и переходом пара в состояние жидкости на вращающейся поверхности. Причем, затрачиваемые энергии в процессах перехода пара в состояние жидкости равны теплоте расширения пара L. Исходя из этого, для уточнения, мной выполнен расчет радиуса коллапсации пара для компенсации теплоты расширения. Этот радиус получился равным 1,05 метра.
Для подтверждения правильности рассуждений рассмотрен процесс эрозионного износа лопаток паровых турбин (вырывы металла жидкостью), работающих на сухом насыщенном паре при атмосферном давлении. Начало эрозионного износа лопаток начинается на радиусе примерно 1 метр. Эти наблюдения подтверждают также специалисты МЭИ. Значит, рассуждения и расчеты радиуса коллапсации выполнены правильно.
Т.о. найден новый способ перевода пара в состояние жидкости!
Представьте, что в цилиндре Рис. 3 близко к наружному диаметру выполнены отверстия, а сам цилиндр помещен в корпус с напорным и всасывающим патрубками и системой уплотнений. Это будет центробежный насос с гидрозатвором в рабочем колесе. На Рис. 4 показан разрез насоса.
Работа насоса происходит следующим образом.
Пар с низким давлением поступает во всасывающий патрубок насоса. Попадая в отверстия барботажного цилиндра, он раскручивается и приобретает центробежную силу. Под действием этой силы пар направляется к поверхности гидрозатвора. Когда молекулы пара окажутся на этой поверхности, они перейдут в состояние перегретой жидкости. Центробежные силы не дадут им снова оторваться от поверхности. По радиусу гидрозатвора будет происходить приращение давления сжатия перегретой воды, как в обычном центробежном насосе. С большим давлением перегретая вода будет выходить из гидрозатвора рабочего колеса насоса. После выхода из рабочего колеса перегретая вода прекратит вращаться и снова перейдет в состояние пара, но с высоким давлением.
Энергия, затрачиваемая на коллапсацию единицы массы пара будет равна теплоте расширения L. Т.е. для повышения давления пара не надо будет выбрасывать теплоту разъединения U. Для перевода пара в состояние жидкости надо будет затрачивать работу равную теплоте расширения L. Т.к. теплота L в турбинах также используется для совершения работы, то тепло, используемое полезно, будет равно теплоте перегрева пара.
Схема работы паросиловой установки с применением двухфазного насоса будет выглядеть, как показано на Рис. 5.
Здесь: ПП – пароперегреватель; Т – турбина; Г – Генератор; ДН – Двухфазный насос.
Из двухфазного насоса, пар с высоким давлением поступает в пароперегреватель и там перегревается. Перегретый пар с высоким давлением из пароперегревателя поступает на турбину. В турбине тепловая энергия пара переходит в энергию вращения ротора турбины. Последний вращает ротор генератора, который вырабатывает электроэнергию. После турбины, пар низкого давления поступает в двухфазный насос. В двухфазном насосе происходит повышение давления пара низкого давления до давления пара высокого давления. Далее цикл повторяется.
По мере развития науки ее законы охватывают все более широкие области, уточняются, приближаются к законам природы, делаются адекватными им. В обобщенном виде характер связи между законами природы и законами науки был четко выражен А. Эйнштейном: «Наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными, и мы всегда должны быть готовы менять эти представления». П.Л. Капица, любивший парадоксы, говорил даже так: «Интересны не столько сами законы, сколько отклонения от них».
Но изобретатели perpetuum mobile не правы, рассчитывая на вполне возможное изменение законов науки, не разрешающих пока действие вечных двигателей. Дело в том, что законы науки (в частности, физики) не отменяются, а дополняются и развиваются.
Н. Бор сформулировал общее положение (1923 г.), отражающее эту закономерность развития науки: принцип соответствия , который гласит, что всякий более общий закон включает в себя старый закон как частный случай; он (старый) получается из нового при переходе к другим значениям определяющих его величин.
Утверждение закона сохранения энергии - первого начала термодинамики - сделало попытки создать вечный двигатель первого рода абсолютно безнадежным занятием. И хотя они все еще продолжались, основное направление мыслей создателей perpetuum mobile изменилось. Новые варианты вечных двигателей рождаются уже в полном согласии с первым началом термодинамики: сколько энергии поступает в такой двигатель, ровно столько же и выходит.
Как известно, закон сохранения энергии можно сформулировать в следующей несколько видоизмененной форме: при всех процессах преобразования энергии сумма всех видов энергии, участвующих в данном процессе, должна оставаться неизменной. Такая формулировка, хотя и не допускает возможности создания энергии из ничего, однако оставляет открытым другой путь реализации вечного двигателя, принцип работы которого основывался бы на идеальном преобразовании одной формы энергии в другую.
Было известно, что работа в двигателях совершается, когда горячее тело отдает тепло газу или пару и пар совершает работу, например, двигая поршень. Однако оказалось, что никак не удается сделать так, чтобы энергия от более холодного тела перешла к более горячему. А ведь для создания вечного двигателя необходимо, чтобы при этом еще и совершалась работа.
В результате развития термодинамики, основываясь на работах Сади Карно, Рудольф Клаузиус показал, что, невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым. При этом невозможен не только непосредственный переход - его невозможно осуществить и с помощью машин или приборов без того, чтобы в природе не произошло еще каких-либо изменений.
Уильям Томсон (лорд Кельвин) сформулировал принцип невозможности вечного двигателя второго рода (1851 г.), поскольку в природе невозможны процессы, единственным следствием которых была бы механическая работа, произведённая за счет охлаждения теплового резервуара.
Исследованием вопроса о perpetuum mobile нового типа в начале XX в. занимался известный немецкий физико-химик Вильгельм Оствальд. Идеальную машину, способную циклично и без потерь преобразовывать энергию из одной формы в другую, он назвал вечным двигателем второго рода . Как видно и после отказа от возможности создания вечного двигателя первого рода проблема вечного движения все же продолжает оставаться открытой. Однако, вечные двигатели первого и второго рода уже значительно различаются между собой. Если функция объявленного учеными неосуществимым вечного двигателя первого рода состояла в непрерывном совершении полезной работы без пополнения запасов энергии от внешних источников, то от вечного двигателя второго рода требовалась лишь способность идеально трансформировать энергию.
Согласно первому началу термодинамики, теплота эквивалентна механической энергии, поэтому, не входя в противоречие с первым началом, вполне можно построить машину, отбирающую тепло от тела, которое имеет температуру окружающего воздуха, или, к примеру, забирающую тепло воды из больших водоемов и совершающую благодаря этому механическую работу. Если преобразовать теперь полученную механическую энергию обратно в тепло, то тем самым возникает замкнутый цикл преобразования энергии, основанный на принципе вечного двигателя второго рода.
Однако в обыденной жизни никогда не встречаются подобные явления. В теплом помещении вынутая из холодильника бутылка с молоком нагревается, а стакан горячего чая остывает. К тому же холодная жидкость при своем нагревании незаметно понижает температуру воздуха в комнате, а горячая - повышает. Вместе с тем никогда не случается, чтобы холодное тело само собой охладилось или горячее - нагрелось. Для такого охлаждения служат специальные холодильные установки, нуждающиеся, однако, в постоянном подводе энергии от внешних источников. В то же время самопроизвольное охлаждение холодного или нагревание горячего тела вовсе не противоречит первому началу термодинамики. Поэтому очевидно, что формулировку этого закона следует как-то уточнить и дополнить.
Второе начало термодинамики устраняет неполноту закона сохранения энергии, который не делал различия между обратимыми и необратимыми процессами и тем самым оставлял призрачную надежду тем, кто не хотел мириться с невозможностью создания perpetuum mobile. Этот физический принцип накладывает ограничение на направление процессов, которые могут происходить в термодинамических системах. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю (невозможно построить замкнутый цикл, проходящий через точку с нулевой температурой).
Существуют несколько эквивалентных формулировок второго закона термодинамики:
Постулат Клаузиуса : «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).
Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).
Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:
«Энтропия изолированной системы не может уменьшаться » (закон неубывания энтропии). В состоянии с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы (а процесс передачи тепла всегда является необратимым из-за постулата Клаузиуса) невозможны.
Когда была создана статистическая термодинамика, которая основывалась на молекулярных представлениях, Оказалось, что второе начало термодинамики имеет статистический характер: оно справедливо для наиболее вероятного поведения системы. Существование флуктуаций препятствует точному его выполнению, однако вероятность сколь-нибудь значительного нарушения крайне мала. То есть переход тепла от холодного тела к более горячему возможен, но это крайне маловероятное событие. А в природе реализуются наиболее вероятные события.
- 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 .
