Омский Государственный Университет
Вечныйдвигатель
Perpetuum mobile
Реферат по курсу концепциисовременного
естествознания
студента группы Э-61
экономического факультетаОмГУ
Бубнова Андрея
Омск
1996
Мартын. Чтотакое perpetuum mobile ?
Бертольд.Perpetuum mobile, то есть вечноедвижение. Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчествучеловеческому… видишь ли, добрый мой Мартын, делать золото — задачазаманчивая, открытие, может быть, любопытное, но найти perpetuum mobile…О!...
А. С. Пушкин.“Сцены из рыцарских времён”
Современнаяжизнь человека невозможна без использования самых разнообразных машин,облегчающих его жизнь. С помощью машин человек обрабатывает землю, добываетнефть, руду, прочие полезные ископаемые, передвигается и т.д. Основнымсвойством машин является их способность совершать работу.
Вовсех механизмах и машинах прежде чем совершить работу энергия переходит изодного вида в другой. Нельзя получить энергии одного вида больше чем другогопри любых превращениях энергии, так как это противоречит закону сохраненияэнергии. В связи с этим нельзя создать вечный двигатель, то есть такойдвигатель в котором в результате превращения энергии одного вида её получаетсябольше, чем было.
Законсохранения и превращения энергии является основным в современноместествознании. Энергия, являющаяся мерой движения материи, имеет следующиеотличительные разновидности: механическая, электрическая, тепловая, магнитная,атомная и др. Каждая из них может превращаться друг в друга, причём всовершенно определённых соотношениях, и при этом количество энергии остаётсянеизменным. Общее количество энергиизамкнутой материальной системы есть величина постоянная, изменяются толькоразличные виды этой энергии, испытывая взаимные превращения.
Законсохранения энергии был сформулирован ещё в 1748 году М. В. Ломоносовым, которыйписал: “… так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другомместе;… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правиладвижения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет,сколько сообщает другому, которое от него движение получает”.
Многиеизобретатели пытались построить машину — вечный двигатель, способную совершатьполезную работу без каких-либо изменений внутри машины. Все эти попыткизаканчивались неудачей.
Вечный двигатель(лат. perpetuummobile) — воображаемый, но неосуществимый двигатель, который после пускаего в ход совершает работу неограниченно долгое время. Каждая машина,действующая без притока энергии извне, по истечении некоторого промежуткавремени полностью израсходует имевшийся в ней запас энергии на преодоление силсопротивления и должна остановиться, так как продолжение работы означало быполучение энергии из ничего.
Воткак писал о значении для человечества вечного двигателя замечательныйфранцузский инженер Сади Карно: “Общее и философское понятие “perpetuum mobile” содержит в себе не толькопредставление о движении, которое после первого толчка продолжается вечно, нодействие прибора или какого-нибудь собрания таковых, способного развивать внеограниченном количестве движущую силу, способного выводить последовательно изпокоя все тела природы, если бы они в нём находились, нарушать в них принципинерции, способного, наконец, черпать из самого себя необходимые силы, чтобыпривести в движение всю Вселенную, поддерживать и беспрерывно ускорять еёдвижение. Таково было бы действительно создание движущей силы. Если бы это быловозможно, то стало бы бесполезным искать движущую силу в потоках воды ивоздуха, в горючем материале, мы имели бы бесконечный источник, из которогомогли бы бесконечно черпать.”
Вечныедвигатели обычно конструируют на основе использования следующих приёмов или ихкомбинаций :
1).подъём воды с помощью архимедова винта;
2).подъём воды с помощью капилляров;
3).использование колеса с неуравновешивающимися грузами;
4).природные магниты;
5).электромагнетизм;
6).пар или сжатый воздух.
Идеявечного движения была очень популярна в средние века. Обладание таким секретомтакого двигателя казалось более заманчивым, чем даже искусство делать золото изнедрагоценных металлов. Множество людей занималось этой неразрешимой проблемой.Среди них были даже люди с неплохим по тем временам образованием. Известно, чтомножество трудов Ньютона содержат конструкции вечного двигателя. В записяхЛеонардо да Винчи тоже были найдены несколько набросков perpetuum mobile.
Наиболеечасто встречающаяся модель вечного двигателя, до сих пор возрождающаяся вразличных вариациях благодаря горе-изобретателям, основана на применении колесас неуравновешенными грузами.
Ккраям колеса прикреплены откидные палочки с грузами на концах. При всякомположении колеса грузы на правой стороне будут откинуты дальше от центра,нежели на левой; эта половина, следовательно, должна перетягивать левую и темсамым заставлять колесо вращаться. Значит, колесо будет вращаться вечно, покрайней мере до тех пор, пока не перетрётся ось. Так думал неизвестныйизобретатель. Но этого не будет происходить, и вот почему: хотя грузы направой стороне всегда дальше от центра, но неизбежно такое положение, когдачисло этих грузов меньше, чем на левой. Тогда система уравновешивается,следовательно, колесо не будет вращаться, а, сделав несколько качаний,остановится.
Некоторыеизобретатели вечных двигателей были просто жуликами, ловко надувавшимилегковерную публику. Одним из наиболее выдающихся “изобретателей” был некийдоктор Орфиреус (настоящая фамилия — Бесслер). Перепробовав множество занятий,он пришёл к изобретению вечного двигателя. Основным элементом его двигателябыло большое колесо, которое будто бы не только вращалось само собой, но иподнимало при этом тяжёлый груз на значительную высоту. Этот доктор имелмножество высокопоставленных покровителей, таких как польский король Август II,ландграф Гессен-Кассельский. Последний предоставил изобретателю свой замок ивсячески испытывал машину. Этим двигателем заинтересовался и Пётр I, которыйподумывал о его приобретении. Однако Орфиреус соглашался продавать машину неменее чем за 100000 рублей, из чего следует, что он получал весьма не маленькийдоход от нее. Он был, пожалуй, самым удачливым авантюристом, так как безбеднопрожил до старости, получая немалый доход от показа машины. Однако его “вечныйдвигатель” оказался далеко не вечным — его приводили в действие брат ислужанка, дёргая за искусно спрятанный шнурок.
Другимпримером вечного двигателя может служить следующая машина. Масло или вода,налитое в сосуд, поднимается фитилями сначала в верхний сосуд, а оттуда другимифитилями — ещё выше; верхний сосуд имеет жёлоб для стока масла, которое падаетна лопатки винта, приводя его во вращение. Стёкшее вниз масло снова поднимаетсяпо фитилям до верхнего сосуда. Таким образом, струя масла, стекающая по желобкуна колесо, ни на секунду не прерывается, и колесо вечно должно находиться вдвижении… Но здесь кроется ошибка: почему изобретатель думает, что маслодолжно стекать вниз с верхней, загнутой части фитиля? Капиллярное притяжение,преодолев силу тяжести, подняло жидкость вверх по фитилю; но ведь та же причинаудерживает жидкость в порах намокшего фитиля, не давая ей капать с него. Еслидопустить, что в верхний сосуд мнимой вертушки от действия капиллярных силможет просочиться жидкость, то надо будет признать, что те же фитили могут перенестиеё обратно в нижний с помощью тех же сил.
Этотпроект напоминает другой, изобретённый ещё в 1575 году итальянским механикомСтрадою Старшим, и затем повторявшийся во многочисленных вариациях. Архимедоввинт, вращаясь, поднимает воду в верхний бак, откуда она вытекает из лоткаструёй, ударяющей в лопатки водяного колеса. Водяное колесо вращает точильныйкамень и одновременно двигает… тот самый Архимедов винт, который поднимаетводу в верхний бак. Винт поворачивает колесо, а колесо — винт !..
В историиизобретений вечного двигателя магнит сыграл не последнюю роль. Вот примертакого двигателя, описанного в XVII веке епископом Джоном Вилкенсоном.
Сильный магнит помещается на колонке. К ней прислонены дванаклонных жёлоба, один под другим, причём верхний
имеет небольшое отверстие в верхней части, анижний изогнут. Если на верхний жёлоб положить небольшой железный шарик, товследствие притяжения магнитом он покатится вверх, однако, дойдя до отверстия,он провалится в нижний жёлоб, скатится по нему, поднимется по конечномузакруглению и вновь попадёт на верхний жёлоб. Таким образом, шарик будет бегатьнепрерывно, осуществляя тем самым вечное движение.
Здесьсразу видна вся абсурдность этого изобретения. Почему шарик будет скатыватьсявниз? Он скатывался бы, если бы был только под действием силы тяжести. Но нанего действует магнит, который тормозит его спуск, и следовательно, шарик небудет иметь достаточно энергии для того, чтобы подняться по закруглению иначать цикл сначала.
Большуюпопулярность получила у изобретателей вечного двигателя идея соединениядинамо-машины с электромотором. Все подобные проекты сводятся к следующему —надо шкивы динамо-машины и электромотора соединить ремнём, а провода отдинамо-машины подвести к электромотору.После первоначального импульса машины начнут вырабатывать энергию, и это будетпродолжаться до бесконечности. Здесь всё сводится к тому, что если бы не былотрения, они бы действительно вращались вечно. Но странно, что изобретателям неприходит в голову другой проект — соединить два шкива ремнём и дать толчок.Первый шкив, вращаясь, будет двигать второй, а второй, в свою очередь, сообщатьэнергию на движение первому.
Всевышеприведённые двигатели являлись двигателями первого рода, то есть такимидвигателями, которые нарушают первое начало термодинамики. Согласно первомузакону термодинамики мы имеем
A’ = Q — DU.
Любая машина может совершать работунад внешними телами только за счёт получения извне количества теплоты Q (тоесть энергии) или уменьшения своей внутренней энергии DU.
Сравнительномало предпринималось попыток создания вечных двигателей второго рода. Дляработы обычного теплового двигателя необходимо иметь нагреватель и холодильник. Очень заманчивой кажетсязадача создания тепловой машины, которая могла бы совершать механическую работус использованием нагревателя.
Можноподсчитать, что при охлаждении мирового океана только на один градус можнополучить энергию, достаточную для обеспечения всех потребностей человечествапри современном уровне её потребления на 14000 лет.
Возможностьсоздания такой машины, называемой вечным двигателем второго рода, непротиворечит первому закону термодинамики. Однако все известные на сегоднярезультаты опытов свидетельствуют о том, что создание вечного двигателя второгорода, является столь же неразрешимой задачей, как и изготовление вечногодвигателя первого рода. Этот опытный факт принят в термодинамике в качествевторого основного постулата — второго закона термодинамики.
Теплопередачасамопроизвольно происходит только в одном направлении — от горячего тела кхолодному. Значит, чтобы энергия теплового движения молекул воды мировогоокеана превратилась в механическую энергию, необходимо иметь рабочее тело,температура которого ниже температуры воды в океане.
Изэтого следует, что неосуществим термодинамический процесс, в результатекоторого происходила бы передача тепла от одного тела к другому, болеегорячему, без каких-либо других изменений в природе. Иначе говоря, невозможно построить периодическидействующую машину, которая непрерывно превращала бы теплоту в работу только засчёт охлаждения одного тела, без того чтобы в окружающих телах не произошлоодновременно каких-либо изменений.
Физическийсмысл второго закона термодинамики заключается в том, что энергия тепловогодвижения молекул вещества в одном отношении качественно отличается от всехдругих видов энергии — механической, электрической, химической, ядерной и т.д.Это отличие заключается в том, что энергия любого вида, кроме энергии тепловогодвижения молекул, может полностью превратиться в любой вид энергии, в том числев энергию теплового движения. Энергия же теплового движения молекул можетиспытать превращение в любой другой вид энергии лишь частично. В результатеэтого любой физический процесс в котором происходит превращение какого-либовида энергии в энергию теплового движения молекул, является необратимымпроцессом, т.е. он не может быть осуществлён полностью в обратном направлении.
Перпетууммобиле — вечный двигатель — романтическая мечта подвижников, пытавшихся датьчеловечеству беспредельную власть над природой, вожделённый источник обогащениядля шарлатанов и авантюристов; сотни, тысячи прожектов, так никогда неосуществлённых; хитроумные механизмы, которые, казалось, вот-вот должны былизаработать, но почему-то оставались в неподвижности; разбитые судьбы фанатиков,обманутые надежды меценатов… Но из-за чего всё это происходило? Из-занезнания элементарных физических законов, из-за желания из ничего получить всё.До сих пор в патентные бюро поступают заявки с устройствами, которые посуществу являются вечными двигателями. Видимо, в самой идее вечного двигателякроется какая-то тайна, что-то, что заставляет людей искать и искать егосекрет. Но, видно так устроен человек...
Литература
Ихак-Рубинер Ф.Вечныйдвигатель. М., 1922.
Кабардин О. Ф.Физика:Справочные материалы. М., 1991.
КраткийПолитехнический Словарь. М., 1956.
Орд-Хьюм А.Вечноедвижение. М., 1980.
Перельман Я. И.Занимательная физика. М., 1991.