Вечный двигатель: история и физика¶
Вечный двигатель (лат. perpetuum mobile — «вечно движущееся») — гипотетическое устройство, способное совершать полезную работу неограниченно долго без поступления энергии извне или с коэффициентом полезного действия, равным или превышающим единицу. В классической механике и термодинамике существование такого устройства признано невозможным: его работа противоречила бы закону сохранения энергии и второму началу термодинамики. Несмотря на это, идея вечного двигателя занимала изобретателей и учёных более тысячи лет и сыграла заметную роль в становлении физики как точной науки.
¶Классификация
В научной литературе принято различать два основных типа вечных двигателей.
¶Вечный двигатель первого рода
Устройство, которое совершает работу без затрат энергии, то есть создаёт энергию из ничего. Его существование прямо запрещено законом сохранения энергии — фундаментальным принципом физики, сформулированным в середине XIX века Юлиусом фон Майером, Джеймсом Джоулем и Германом Гельмгольцем. Любая замкнутая система сохраняет полную энергию: она может переходить из одной формы в другую, но не возникает и не исчезает.
¶Вечный двигатель второго рода
Машина, которая полностью превращает в работу теплоту, отбираемую у окружающей среды, без разности температур. Такое устройство не нарушало бы закон сохранения энергии, но противоречит второму началу термодинамики в формулировке Кельвина: невозможно построить периодически действующий двигатель, который целиком превращал бы теплоту в работу. Понятие введено Вильгельмом Оствальдом в конце XIX века.
¶История идеи
Мысль о самодвижущемся механизме встречается уже в античности. В индийских и арабских трактатах, а также в сочинениях европейских схоластов описывались колеса с перекатывающимися грузами, которые якобы вращались бесконечно. В XIII веке французский учёный Виллар д'Оннекур оставил рисунок колеса с нечётным числом молоточков, которое, по его замыслу, должно было вращаться само.
В эпоху Возрождения поиски вечного двигателя стали массовым увлечением. Среди авторов проектов встречались механики, часовщики, аптекари и даже монахи. В 1618 году английский врач Роберт Фладд предложил конструкцию с водяным колесом и архимедовым винтом, перекачивающим воду обратно в верхний резерв. В 1635 году патентное ведомство Англии официально отказало в выдаче патента на вечный двигатель — это одно из первых документально зафиксированных решений такого рода.
Особое место занимает проект Иоганна Эрнста Элиаса Бесслера, продемонстрированный в 1712 году. Его колесо диаметром около четырёх метров вращалось, по свидетельствам очевидцев, в течение нескольких недель. Разоблачение наступило лишь после смерти изобретателя: устройство приводилось в движение скрытым механизмом, которым управлял брат Бесслера.
В России интерес к теме также существовал. В XVIII веке проекты самодвижущихся машин предлагали отдельные механики и самоучки, однако Петербургская академия наук относилась к ним скептически. В 1775 году Парижская академия наук постановила не рассматривать заявки на вечный двигатель вообще — это решение стало образцом для научных учреждений других стран.
¶Причины невозможности
Невозможность вечного двигателя вытекает из двух фундаментальных законов.
- Закон сохранения энергии. Энергия замкнутой системы постоянна. Чтобы устройство совершало работу, оно должно получать энергию извне либо расходовать внутренний запас, который конечен.
- Второе начало термодинамики. В любом реальном процессе часть энергии неизбежно переходит в тепло и рассеивается. Полное превращение теплоты в работу невозможно без компенсации, то есть без передачи части теплоты холодильнику.
Дополнительно действуют силы трения, сопротивление среды и потери на нагрев, которые постепенно останавливают любой реальный механизм. Даже при отсутствии трения машина не могла бы отдавать работу бесконечно, поскольку её внутренняя энергия ограничена.
¶Псевдовечные двигатели и заблуждения
Многие конструкции, выдаваемые за вечные, на деле используют внешний источник энергии, который неочевиден для наблюдателя. Наиболее распространённые схемы:
| Тип конструкции | Скрытый источник энергии |
|---|---|
| Колесо с перекатывающимися грузами | Изначальный завод или толчок |
| Магнитные двигатели | Энергия, затраченная на намагничивание |
| Капиллярные и сифонные устройства | Атмосферное давление, испарение |
| Гравитационные «водопады» | Запас воды, приток извне |
Отдельную категорию составляют мошеннические демонстрации, рассчитанные на доверчивую публику и инвесторов. Разоблачение таких проектов нередко становилось предметом судебных разбирательств.
¶Значение для науки
Хотя вечный двигатель так и не был создан, история его поисков оказалась полезной. Именно попытки опровергнуть или обосновать невозможность таких машин подтолкнули учёных к формулировке закона сохранения энергии и второго начала термодинамики. Никола Леонар Сади Карно, размышляя о предельной эффективности тепловых машин, заложил основы термодинамики, отталкиваясь в том числе от идеи невозможности двигателя второго рода.
В инженерной практике термин приобрёл переносный смысл: «вечным двигателем» иногда называют устройство с очень высоким КПД или механизм, работающий от возобновляемого источника. Строго говоря, это неточность: возобновляемые источники — солнце, ветер, вода — черпают энергию извне, а потому не являются вечными двигателями в научном смысле.
Современная физика рассматривает идею вечного двигателя как окончательно закрытую тему. Любые заявления о создании подобного устройства квалифицируются как ошибка измерения, научная недобросовестность или мошенничество.
Источники: Фейнман Р. «Фейнмановские лекции по физике»; Карно С. «Размышления о движущей силе огня»; Гельмгольц Г. «О сохранении силы»; энциклопедические словари по физике и технике.