Войти
Вечный двигатель Роберта Фладда 1618 "водяной винт" станок с гравюры на дереве 1660 года. Многие считают, что это первая попытка описать такое устройство для производства полезной работы, а именно забивание жерновов. Вечное движение - это движение тел, которое продолжается вечно. вечный двигатель - это гипотетическая машина, которая может работать бесконечно без источника энергии. Такой тип машины невозможен, так как это нарушило бы первый или второй закон термодинамики.
Эти законы термодинамики применяются независимо от размера системы. Например, движение и вращение небесных тел, таких как планеты, может казаться вечным, но на самом деле они подвержены многим процессам, которые медленно рассеивают их кинетическую энергию, таким как солнечный ветер, межзвездная среда сопротивление, гравитационное излучение и тепловое излучение, поэтому они не будут двигаться вечно.
Таким образом, машины, извлекающие энергию из конечных источников, не будут работать бесконечно, потому что они управляются энергией, накопленной в источнике, которая в конечном итоге будет исчерпана. Типичный пример - устройства, питаемые океанскими течениями, энергия которых в конечном итоге получена от Солнца, которое само сгорит. Были предложены машины, работающие от более малоизвестных источников, но они подчиняются тем же неизбежным законам и в конечном итоге выйдут из строя.
В 2017 году были открыты новые состояния материи, временные кристаллы, в которых в микроскопическом масштабе составляющие атомы находятся в непрерывном повторяющемся движении, таким образом удовлетворяя буквальному определению «вечного движения». Однако они не представляют собой вечные двигатели в традиционном смысле и не нарушают законы термодинамики, поскольку находятся в их квантовом основном состоянии, поэтому из них нельзя извлечь энергию; они демонстрируют движение без энергии.
История вечных двигателей дат назад в средневековье. На протяжении тысячелетий было неясно, возможны ли устройства с вечным двигателем или нет, но развитие современных теорий термодинамики показало, что это невозможно. Несмотря на это, было предпринято множество попыток построить такие машины, продолжающиеся до наших дней. Современные дизайнеры и сторонники часто используют другие термины, такие как «сверх единства», для описания своих изобретений.
О вы, ищущие вечного двигателя, сколько суетных химер вы преследовали? Иди и займи свое место с алхимиками.
— Леонардо да Винчи, 1494Существует научный консенсус, что вечное движение в изолированной системе нарушает либо первый закон термодинамики, либо второй закон термодинамики или и то, и другое. Первый закон термодинамики - это версия закона сохранения энергии. Второй закон можно сформулировать по-разному, наиболее интуитивно понятным из которых является то, что тепло самопроизвольно перетекает из более горячих мест в более холодные; здесь важно то, что закон отмечает, что в каждом макроскопическом процессе есть трение или что-то близкое к нему; другое утверждение состоит в том, что никакой тепловой двигатель (двигатель, который производит работу, перемещая тепло от высокой температуры к низкой температуре) не может быть более эффективным, чем тепловой двигатель Карно, работающий между теми же две температуры.
Другими словами:
Утверждения 2 и 3 относятся к тепловым двигателям. Другие типы двигателей, которые конвертируют, например механическое преобразование в электромагнитную энергию, не может работать со 100% -ным КПД, потому что невозможно спроектировать систему, в которой отсутствует рассеяние энергии.
Машины, которые соответствуют обоим законам термодинамики, получая энергию из нетрадиционных источников, иногда называют вечными двигателями, хотя они не соответствуют стандартным критериям для названия. Например, часы и другие маломощные машины, такие как часы Кокса, были разработаны для работы на разнице атмосферного давления или температуры между днем и ночью. У этих машин есть источник энергии, хотя и не очевидный, так что кажется, что они нарушают законы термодинамики.
Даже машины, которые извлекают энергию из долгоживущих источников, таких как океанские течения, выйдут из строя, тогда как их источники энергии неизбежно истощатся. Они не являются вечными двигателями, потому что они потребляют энергию из внешнего источника и не являются изолированными системами.
Одна классификация вечных двигателей относится к определенному закону термодинамики, который машины якобы нарушают:
Октябрьский номер журнала Popular Science за 1920 г., о вечном двигателе. Хотя ученые установили, что это невозможно в соответствии с законами физики, вечное движение продолжает захватывать воображение изобретателей. "Эпистемическая невозможность "описывает вещи, которые абсолютно не могут происходить в рамках нашей нынешней формулировки физических законов. Эта интерпретация слова «невозможно» - это то, что подразумевается при обсуждении невозможности вечного движения в замкнутой системе.
Законы сохранения особенно устойчивы с математической точки зрения. Теорема Нётер, которая был доказан математически в 1915 году, в нем говорится, что любой закон сохранения может быть выведен из соответствующей непрерывной симметрии действия физической системы. Симметрия, которая эквивалентна сохранению энергии, есть временная инвариантность физических законов. Следовательно, если законы физики не меняются со временем, то следует закон сохранения энергии. Для того чтобы закон сохранения энергии был нарушен, чтобы позволить вечное движение, требуют, чтобы основы физики изменились.
В научных исследованиях относительно того, являются ли законы физики неизменными во времени, используются телескопы, чтобы исследовать Вселенную в далеком прошлом, чтобы выяснить, в пределах наших измерений, были ли древние звезды были идентичны звездам сегодня. Сочетание различных измерений, таких как спектроскопия, прямое измерение скорости света в прошлом и аналогичные измерения, демонстрирует, что физика остается практически неизменной, если не идентичной, на протяжении всего наблюдаемого времени. на миллиарды лет.
Принципы термодинамики настолько хорошо установлены, как теоретически, так и экспериментально, что предложения о вечных двигателях повсеместно встречают недоверие со стороны физиков. Любая предлагаемая конструкция вечного двигателя представляет собой потенциально поучительную проблему для физиков: каждый уверен, что он не может работать, поэтому нужно объяснить, почему он не работает. Сложность (и ценность) такого упражнения зависит от тонкости предложения; лучшие из них, как правило, возникают в результате собственных мысленных экспериментов физиков и часто проливают свет на определенные аспекты физики. Так, например, мысленный эксперимент броуновской трещотки как вечного двигателя впервые обсуждался Габриэлем Липпманном в 1900 году, но только в 1912 году Мариан Смолуховский дал адекватное объяснение того, почему это не может работать. Однако в течение этого двенадцатилетнего периода ученые не верили, что машина возможна. Они просто не знали точного механизма, из-за которого он неизбежно потерпел бы неудачу.
Закон, согласно которому энтропия всегда увеличивается, занимает, я думаю, высшую позицию среди законов природы. Если кто-то укажет вам, что ваша любимая теория Вселенной не согласуется с уравнениями Максвелла, то это будет хуже для уравнений Максвелла. Если наблюдение противоречит этому - что ж, экспериментаторы иногда ошибаются. Но если окажется, что ваша теория противоречит второму закону термодинамики, я не могу дать вам никакой надежды; ему ничего не остается, как рухнуть в глубочайшем унижении.
— Сэр Артур Стэнли Эддингтон, Природа физического мира (1927)В середине XIX века Генри Диркс исследовал историю экспериментов с вечным двигателем, написав язвительную атаку на тех, кто продолжал пытаться то, что он считал невозможным:
«Есть что-то прискорбное, унизительное и почти безумное в преследовании призрачных схем прошлых веков с помощью упорная решимость на путях познания, которые были исследованы высшими умами и с которыми такие предприимчивые люди совершенно не знакомы. История Perpetual Motion - это история безрассудной стойкости либо полуобразованных, либо совершенно невежественных людей ».
— Генри Диркс, Вечный двигатель: Или, История поиска самомотива (1861)Однажды человек подключит свой аппарат к самому колесу Вселенной [...] и те самые силы, которые движут планетами по их орбитам и заставить их вращаться будет вращать его собственное оборудование.
— Никола ТеслаНекоторые общие идеи неоднократно повторяются в конструкциях вечных двигателей. Многие идеи, которые продолжают появляться и сегодня, были высказаны еще в 1670 году Джоном Уилкинсом, епископом Честерским и официальным лицом Королевского общества. Он выделил три потенциальных источника энергии для вечного двигателя: «Химические [sic ] извлечения», «Магнитные свойства» и «Естественное притяжение гравитации».
По-видимому, таинственная способность Магниты для воздействия на движение на расстоянии без видимого источника энергии уже давно привлекают изобретателей. Один из самых ранних примеров магнитного двигателя был предложен Уилкинсом и с тех пор широко копируется: он состоит из пандуса с магнитом наверху, который тянет металлический шар вверх по пандусу. Рядом с магнитом было небольшое отверстие, которое должно было позволить мячу упасть под рампу и вернуться на дно, а заслонка позволила ему снова вернуться наверх. Устройство просто не могло работать. Столкнувшись с этой проблемой, более современные версии обычно используют серию пандусов и магнитов, расположенных таким образом, чтобы мяч передавался от одного магнита к другому по мере его движения. Проблема осталась прежней.
Вечный двигатель Виллар де Оннекур (около 1230). 
«Уравновешенное колесо». Гравитация также действует на расстоянии, без видимого источника энергии, но чтобы Чтобы получить энергию из гравитационного поля (например, уронив тяжелый объект, создав кинетическую энергию при падении), нужно вложить энергию (например, подняв объект вверх), и некоторая энергия всегда рассеивается в процессе. Типичное применение силы тяжести в вечном двигателе - это колесо Бхаскары 12 века, ключевая идея которого сама по себе является повторяющейся темой, часто называемой «уравновешенным колесом»: движущиеся грузы прикреплены к колесу таким образом. способ, которым они падают в положение дальше от центра колеса на одну половину оборота колеса и ближе к центру на другой половине. Поскольку грузы, расположенные дальше от центра, создают больший крутящий момент, считалось, что колесо будет вращаться бесконечно. Однако, поскольку сторона с грузами дальше от центра имеет меньший вес, чем другая сторона, в этот момент крутящий момент уравновешен и вечное движение не достигается. Движущиеся грузы могут быть молотками на поворотных рычагах, катящимися шарами или ртутью в трубках; принцип тот же.
Вечный двигатель из рисунка Леонардо да Винчи Другая теоретическая машина предполагает движение в среде без трения. Это предполагает использование диамагнитной или электромагнитной левитации для плавания объекта. Это делается в вакууме, чтобы исключить трение воздуха и трение от оси. Поднимаемый объект может свободно вращаться вокруг своего центра тяжести без помех. Однако эта машина не имеет практического применения, потому что вращающийся объект не может выполнять никакой работы, поскольку работа требует, чтобы левитирующий объект приводил в движение другие объекты, вызывая трение в проблему. Кроме того, создание идеального вакуума является недостижимой целью, поскольку и контейнер, и сам объект будут медленно испаряться, тем самым ухудшая вакуум.
Чтобы извлечь работу из тепла, создав таким образом вечный двигатель второго типа, наиболее распространенный подход (восходящий, по крайней мере, к демону Максвелла ) - это однонаправленность. Только молекулы, движущиеся достаточно быстро и в правильном направлении, могут пройти через люк демона. В броуновском храповике силы, стремящиеся повернуть храповик в одну сторону, способны сделать это, а силы в другом направлении - нет. Диод в термостате пропускает токи в одном направлении, а не в другом. Эти схемы обычно терпят неудачу по двум причинам: либо поддержание однонаправленности требует затрат энергии (требуя, чтобы демон Максвелла выполнял больше термодинамической работы, чтобы измерить скорость молекул, чем количество энергии, полученное из-за разницы температур), либо однонаправленность является иллюзией и случайные большие нарушения компенсируют частые мелкие несоблюдения (броуновский храповик будет подвержен внутренним броуновским силам и поэтому иногда будет поворачивать не в ту сторону).
"Поплавковый пояс". Желтые блоки обозначают плавающие объекты. Считалось, что поплавки поднимутся сквозь жидкость и повернут ремень. Однако, толкание поплавков в воду на дне требует столько же энергии, сколько генерирует плавучий объект, и некоторая энергия рассеивается. Плавучесть - еще одно часто неправильно понимаемое явление. Некоторые предлагаемые вечные двигатели упускают из виду тот факт, что для выталкивания некоторого объема воздуха в жидкость требуется та же работа, что и для подъема соответствующего объема жидкости против силы тяжести. Эти типы машин могут включать две камеры с поршнями и механизм для выдавливания воздуха из верхней камеры в нижнюю, которая затем становится плавучей и всплывает наверх. Сжимающий механизм в этих конструкциях не сможет выполнять достаточную работу по перемещению воздуха вниз или не оставит лишней работы для извлечения.
Предложения для таких неработающих машин стали настолько распространенными, что Бюро по патентам и товарным знакам США (USPTO) провело официальную политику отказа в выдаче патенты на вечные двигатели без работающей модели. Руководство USPTO по практике патентной экспертизы гласит:
За исключением случаев, связанных с вечным двигателем, ведомство обычно не требует модели для демонстрации работоспособности устройства. Если работоспособность устройства ставится под сомнение, заявитель должен установить это к удовлетворению эксперта, но он или она может выбрать свой собственный способ сделать это.
И, кроме того, что:
Отклонение [заявки на патент] на основании непригодности включает более конкретные основания бездействия, включая вечный двигатель. Отказ согласно 35 USC. 101 из-за отсутствия полезности не должно основываться на том, что изобретение является несерьезным, мошенническим или противоречащим государственной политике.
Подача заявки на патент - канцелярская задача, и USPTO не будет отказывать в подаче заявок на вечные двигатели; заявка будет подана и, скорее всего, отклонена патентным экспертом после того, как он проведет формальную экспертизу. Даже если патент выдан, это не означает, что изобретение действительно работает, это просто означает, что эксперт считает, что оно работает, или не смог понять, почему оно не работает.
ВПТЗ США поддерживает сборник уловок с вечным двигателем.
Патентное ведомство Соединенного Королевства имеет особую практику в отношении вечного двигателя; Раздел 4.05 Руководства по патентной практике UKPO гласит:
Процессы или изделия, которые, как предполагается, работают таким образом, который явно противоречит общепринятым законам физики, например, вечные двигатели, считаются не имеющими промышленного применения.
Примеры решений Патентного ведомства Великобритании об отказе в патентных заявках на вечные двигатели включают:
В Европейской патентной классификации (ECLA) есть классы, включающие заявки на патенты на системы вечного двигателя: классы ECLA «F03B17 / 04: Alleged perpetua mobilia...» и «F03B17 / 00B: [... машины или двигатели] (с замкнутым контуром циркуляции или аналогичным:... Установки, в которых жидкость циркулирует по замкнутому контуру; Предполагаемая perpetua mobilia такого или подобного типа... ".
Так как «вечный двигатель» может существовать только в изолированных системах, а настоящих изолированных систем не существует, не существует никаких реальных устройств «вечного двигателя». Однако есть концепции и технические проекты, которые предлагают «вечное движение»., но при более тщательном анализе выясняется, что они на самом деле «потребляют» какой-то природный ресурс или скрытую энергию, например, фазовые переходы воды или других жидкостей или небольшие естественные градиенты температуры, или просто не могут выдерживать неопределенное время. В общем, извлечение работы с этих устройств невозможно.
«Капиллярная чаша» Некоторые примеры таких устройств включают:
В некоторых случаях мысленный (или gedanken) эксперимент, по-видимому, предполагает, что вечное движение возможно благодаря принятым и понятным физическим процессам. Однако во всех случаях ошибка обнаруживается, когда учитывается вся соответствующая физика. Примеры включают:
Парадокс эллипсоида, поверхность и лучи, испускаемые телом A в направлении тела B. (a) Когда тела A и B являются точечными, все лучи из A должны падать на B. (b) Когда тела A и B растягиваются, некоторые лучи из A не будут падать на B и в конечном итоге могут вернуться в A.  | Wikisource содержит текст Британской энциклопедии 1911 года статьи Perpetual Motion. |
