Возможно, эта статья содержит оригинальное исследование . Проверьте соответствие информации приведённым источникам и удалите или исправьте информацию, являющуюся оригинальным исследованием. В случае необходимости подтвердите информацию авторитетными источниками . В противном случае статья может быть выставлена на удаление. ( 6 января 2019 )

Ве́чный дви́гатель ( лат. perpetuum mobile , буквально — вечно движущееся ) — воображаемое неограниченно долго действующее устройство, позволяющее получать большее количество полезной работы , чем количество сообщённой ему извне энергии (вечный двигатель первого рода) или позволяющее получать тепло от одного резервуара и полностью превращать его в работу (вечный двигатель второго рода) . Создать вечный двигатель невозможно, так как его работа противоречила бы соответственно первому или второму закону термодинамики .

Однако, можно создать механизмы, способные работать хотя и не бесконечно, но неопределённо долго (до износа своих составных частей) без вмешательства человека. В отличие от вечного двигателя, они не нарушают законов термодинамики, поскольку черпают энергию из окружающей среды (например, это может быть энергия Солнца или радиоактивного распада) .

Современная классификация вечных двигателей

• Вечный двигатель первого рода — неограниченно долго действующее устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов. Согласно закону сохранения энергии , все попытки создать такой двигатель обречены на провал. Невозможность осуществления вечного двигателя первого рода постулируется в термодинамике как первое начало термодинамики .
• Вечный двигатель второго рода — неограниченно долго действующая машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел. Невозможность осуществления вечного двигателя второго рода постулируется в термодинамике в качестве одной из эквивалентных формулировок второго начала термодинамики .

И первое, и второе начала термодинамики были введены как постулаты после многократного экспериментального подтверждения невозможности создания вечных двигателей. Из этих начал выросли многие физические теории, проверенные множеством экспериментов и наблюдений, и у учёных не остаётся никаких сомнений в том, что данные постулаты верны, и создание вечного двигателя невозможно. В частности, второе начало термодинамики может быть сформулировано как один из следующих (эквивалентных) постулатов:

1. Постулат Кельвина — невозможно создать периодически действующую машину, совершающую механическую работу только за счёт охлаждения теплового резервуара.
2. Постулат Клаузиуса — самопроизвольный переход теплоты от более холодных тел к более горячим невозможен.

Демон Максвелла и , если бы такие устройства были осуществимы, позволили бы реализовать вечный двигатель второго рода. Однако доказано, что работа таких систем как замкнутых (без обмена энергией с внешней средой) невозможна ^{[ уточнить ]} .

История

Первая документально подтверждённая попытка построить вечный двигатель относится к VIII веку: в Баварии была построена магнитная конструкция в виде колеса обозрения . В 1150 году индийский философ Бхаскара предложил свой вечный двигатель . В своём стихотворении он описывает некое колесо с прикреплёнными 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, помещённых 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» . Баварская схема и схема Бхаскары в чём-то схожи, но их изобретения при изучении показывают потерю энергии в каждом цикле . Отдельные заметки о вечном двигателе встречаются в арабских рукописях XVI века, хранящихся в Лейдене , Готе и Оксфорде .

Эпоха Возрождения подстегнула усилия изобретателей. В 1635 году был выдан первый патент на вечный двигатель . Среди рисунков Леонардо Да Винчи была найдена гравюра с чертежом вечного двигателя, но в целом он скептически относился к идее вечного двигателя . Он занимался разоблачением создаваемых конструкции, сравнивая их создание с поиском философского камня . 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.

В 1712 году Иоганн Бесслер , изучив около 300 схем, предложил собственную модель. По легенде, его служанка разоблачила его машину, как хитрое мошенничество .

Помимо преданных делу изобретателей в истории происходили случаи разоблачения шарлатанов, пытавшихся выдать свои конструкции со скрытыми источниками энергии за вечные двигатели. Несмотря на то, что никому так и не удалось изобрести вечный двигатель, опыты помогли физикам изучить природу тепловых двигателей .

К 1775 году столь много было предложено схем вечных двигателей, отчего Парижская Королевская академия наук постановила не принимать более ни одного из-за очевидной невозможности их создания . Патентное ведомство США не выдаёт патенты на perpetuum mobile уже более ста лет . Тем не менее, в Международной патентной классификации сохраняются разделы для гидродинамических ( (неопр.) . Архивировано из 25 апреля 2022 года. ) и электродинамических ( (неопр.) . Архивировано из 25 апреля 2022 года. ) вечных двигателей.

Изобретатели

• Майкл Брэйди
• Дзамбони, Джузеппе

Конструкции вечных двигателей из истории

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. 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.

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 уравновешивать или превосходить силу, действующую на остальные баки.

Псевдовечный двигатель

Псевдовечный двигатель (даровой двигатель, мнимый вечный двигатель , псевдовечный двигатель ) — механизм, способный работать неопределённо долго (до износа своих составных частей) без вмешательства человека, но, в отличие от вечного двигателя, не нарушающий законов термодинамики . Энергию он черпает из окружающей среды (например, это может быть энергия Солнца или радиоактивного распада).

Разновидности

Известны псевдовечные двигатели, использующие: энергию периодических суточных колебаний атмосферного давления ; энергию теплового расширения вследствие суточных колебаний температуры ; энергию распада радия ; солнечную энергию ( магнитно-тепловой двигатель ) .

В 1760-х годах Джон Кокс изобрёл часы, которые получают энергию от изменений атмосферного давления . Такие часы существуют и сегодня и могут идти вечно .

Экономическая эффективность

Я. И. Перельман и Н. В. Гулиа пишут, что даровые двигатели экономически невыгодны для промышленного применения из-за малой стоимости производимой энергии по сравнению с капитальными вложениями в их создание и обслуживание.

Например, для завода часов на сутки работы нужна энергия ${\displaystyle 1{,}5}$ Дж. Если этот механизм проработает ${\displaystyle 10}$ лет, то за свой срок службы он выработает энергии ${\displaystyle 1{,}5\cdot 365\cdot 10=5500}$ Дж. При стоимости механизма в ${\displaystyle 10}$ долларов себестоимость производства одного киловатт-часа энергии с его помощью составит ${\displaystyle {\frac {3{,}6\cdot 10^{6}}{5500}}\cdot 10=6{,}5}$ тыс. долларов .

В. М. Бродянский считает этот вывод неверным, поскольку стоимость устройства не пропорциональна его размерам .

Пример псевдовечного двигателя 2-го рода

Анализ конкретной конструкции вечного двигателя 2-го рода может представлять собой нетривиальную задачу, особенно если речь идёт о конструкции сложной или такой, принцип действия которой на первый взгляд вообще непонятен, либо потоки энергии и их источник неочевидны. Зафиксируем, например, один конец работающей на изгиб биметаллической пластины , а ко второму концу подвесим груз и поместим получившуюся конструкцию на открытый воздух . За счёт колебаний температуры пластина будет изгибаться/распрямляться, а груз - подниматься и опускаться, то есть устройство будет совершать работу. Заменив груз на храповой механизм , получим механический привод, способный выполнять полезную работу за счёт извлечения энергии из единственного теплового резервуара — окружающей среды . Но поскольку окружающая среда попеременно выступает в качестве то нагревателя, то охладителя, противоречие со вторым законом термодинамики отсутствует. Таким образом, рассмотренная конструкция представляет собой не вечный, а псевдовечный двигатель 2-го рода .

Вечное движение

Существует множество физических процессов, где за счет квантовых эффектов движение может происходить практически вечно без потребления энергии, но и без ее выделения. Примером являются петелевые токи в сверхпроводниках и вихри в сверхтекучей жидкости.

См. также

• Автомобиль на воде
• Законы термодинамики
• Статистическая механика

Примечания

Литература

• Александров Н. Е., Богданов А. И., Костин К. И. и др. Основы теории тепловых процессов и машин. Часть II / Под ред. Н. И. Прокопенко. — 4-е изд. (электронное). — М. : «Бином. Лаборатория знаний», 2012. — 572 с. — ISBN 978-5-9963-0834-7 .
• Бродянский В. М. (рус.) . — М. : « Энергоатомиздат », 1989. — 256 с. — (Научно-популярная библиотека школьника). — ISBN 5-283-00058-3 .
• О машинах вечного движения . М., 1926.
• Ихак-Рубинер Ф. Вечный двигатель . М., 1922.
• Кирпичёв В. Л. Беседы по механике . М.: ГИТЛ, 1951.
• Лермантов В. В. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
• Мах Э. Принцип сохранения работы: История и корень его . СПб., 1909.
• Вечный двигатель вчера и сегодня / Пер. с чеш. И. Е. Зино; Предисл. А. Т. Григорьяна. — М. : « Мир », 1984. — 256 с. — (« »). — 100 000 экз.
• Вечное движение. История одной навязчивой идеи . М.: Знание , 1980.
• Перельман Я. И. Занимательная физика . Кн. 1 и 2. М.: Наука , 1979.
• (неопр.) . Архивировано из 15 мая 2009 года. // Петрунин Ю. Ю. Призрак Царьграда: неразрешимые задачи в русской и европейской культуре. — М.: КДУ, 2006, с. 75-82.
• Савельев И. В. Курс общей физики в 3-х томах. Том 1. Механика. Молекулярная физика. — 12-е изд., стереотип. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2016. — 432 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-0630-2 .
• Вечный двигатель // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Я. И. Перельман . Занимательная физика. Книга 1. — М. : « Наука », 1972. — 215 с.

Ссылки

• Техника — молодёжи 21.05.2009 Виктор Петров (неопр.) . Архивировано из 27 февраля 2018 года.