Перпетуум мобиле — вечный двигатель¶

Перпетуум мобиле (от лат. perpetuum mobile — «вечное движение») — гипотетический механизм, который способен совершать работу бесконечно долго без затраты энергии извне или при полном отсутствии трения и других потерь. Идея вечного двигателя существует более тысячи лет и на протяжении столетий привлекала внимание учёных, инженеров и авантюристов. Научный консенсус состоит в том, что создание такого устройства невозможно, поскольку это противоречит фундаментальным законам термодинамики.

¶История идеи

Первые описания механизмов, способных якобы работать вечно, встречаются в средневековых рукописях. Индийский математик и астроном Бхаскара II (XI век) описывал колесо с наклонными полостями, которое, по его представлениям, должно было вращаться непрерывно. В Европе идею развивали учёные эпохи Возрождения: Леонардо да Винчи исследовал подобные конструкции и пришёл к выводу о невозможности вечного двигателя, отметив, что «начало движения, которое могло бы существовать вечно, не имеет основания».

Наибольший размах увлечение вечным двигателем приобрело в XVII–XIX веках. В Англии в 1618 году был даже зарегистрирован патент на «двигатель, совершающий работу без затраты топлива», однако изобретатель не смог представить работающий образец. В XIX столетии, с развитием промышленности и паровых машин, число заявок на вечный двигатель резко возросло. Только в Соединённых Штатах в конце XIX — начале XX века Патентное бюро США получило сотни таких заявок. В 1917 году ведомство официально заявило, что не будет рассматривать заявки на вечный двигатель без работающего прототипа.

В России идеи perpetual mobile также находили отклик. Изобретатель-самоучка Иван Кулибин в конце XVIII века создал ряд механических устройств, в том числе самобеглую коляску, хотя и она не была вечным двигателем в строгом смысле. В советское время тема вечного двигателя стала объектом научной критики: в 1920-е годы в печати разворачивалась полемика с «изобретателями», предлагавшими антинаучные схемы.

¶Классификация

В научной и инженерной литературе принято различать два класса вечных двигателей:

Перпетуум мобиле первого рода — это, как правило, механическая конструкция (колесо, маятник, качели), которая, по замыслу изобретателя, должна возвращаться в исходное положение с той же или большей энергией. Перпетуум мобиле второго рода — тепловая машина, которая, например, извлекала бы энергию из океанской воды и превращала её в работу без оттёпа в холодильник.

¶Научная критика

¶Первый закон термодинамики

Первый закон (закон сохранения энергии) устанавливает, что энергия не возникает из ничего и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. Любое устройство, совершающее работу, должно расходовать запас энергии. Если работа совершается за счёт внутренней энергии самого механизма, то рано или поздно эта энергия исчерпается.

¶Второй закон термодинамики

Второй закон (формулировка Клаузиуса) гласит, что теплота самопроизвольно перетекает от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, а полное превращение теплоты в работу без других последствий невозможно. Это означает, что любая тепловая машина обязана иметь два тепловых источника — нагреватель и холодильник, — и не может работать, черпая энергию только из одного.

¶Энтропия

Понятие энтропии, введённое Рудольфом Клаузиусом в 1865 году, позволяет количественно описывать необратимость процессов. В изолированной системе энтропия не убывает. Вечный двигатель второго рода подразумевал бы уменьшение энтропии без затрат, что противоречит этому положению.

¶Известные конструкции

Наиболее распространённые «вечные двигатели», предлагавшиеся на протяжении столетий, можно разделить на несколько типов:

• Колесо с грузами — колесо, полости или рычаги которого заполнены ртутью или имеют подвижные грузы. Идея состояла в том, что грузы на одной стороне колеса всегда действуют с большим моментом, чем на другой. Расчёты показывают, что моменты уравновешиваются.
• Маятник с магнитами — маятник, притягиваемый постоянным магнитом. После прохождения нижней точки маятник должен был бы раскачиваться вечно. Трение и потери на излучение быстро останавливают систему.
• Гравитационные качели — конструкция с подвижными рычагами, меняющими плечо силы тяжести. Аналогично предыдущему, система приходит в равновесие.
• Капиллярные устройства — трубки, по которым вода поднимается и перетекает обратно. Испарение и трение прекращают цикл.

Ни одна из предложенных конструкций не была реализована в работающем виде.

¶Современное значение

Хотя создание вечного двигателя признано невозможным, тема остаётся полезной для науки и образования. Попытки доказать обратное стимулировали развитие термодинамики: именно полемика вокруг perpetual mobile привела к формулировке её основных законов в XIX веке. В настоящее время патентные ведомства большинства стран отказывают в регистрации вечных двигателей без работающего прототипа.

В физике существуют явления, внешне напоминающие вечное движение, однако они не нарушают законов термодинамики. Сверхпроводящие токи в замкнутом контуре могут существовать миллиарды лет, но для их поддержания требуется сверхнизкая температура, а запас энергии ограничен. Сверхтекучесть гелия-4 позволяет жидкости течь без вязкого трения, однако система не совершает полезной работы вечно.

Интерес к теме сохраняется и в массовой культуре: изображения perpetual mobile используются как символ непрерывного движения и изобретательности.

¶Источники

• Базовый учебник термодинамики М.А. Абрамовича
• «Вечное движение: история иллюзии» — исторические обзоры изобретательства
• Материалы Патентного бюро США о практике рассмотрения заявок на perpetual mobile
• Работы Р. Клаузиуса и У. Томсона по второму закону термодинамики