Вечный двигатель

Ве́чный дви́гатель (лат. Perpetuum Mobile) — 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)[2][3]. Этот тип машины невозможен, так как он нарушил бы первый или второй закон термодинамики[4][5][6][7]. Эти законы термодинамики применяются независимо от размера системы. Например, движения и вращения небесных тел, таких как планеты, могут казаться вечными, но на самом деле они подвержены многим процессам, которые медленно рассеивают их кинетическую энергию, таким как солнечный ветер, сопротивление межзвездной среды, гравитационное излучение и тепловое излучение, поэтому они не будут продолжать двигаться вечно[8][9].

Таким образом, машины, которые извлекают энергию из конечных источников, не будут работать бесконечно, потому что ими управляет энергия, запасённая в источнике, которая в конечном итоге будет исчерпана. Типичным примером являются устройства, работающие благодаря океаническим течениям, чья энергия в конечном итоге поступает от Солнца, которое само со временем сгорит.

В 2017 году были открыты новые состояния материи, темпоральные кристаллы, в которых в микроскопическом масштабе атомы компонентов находятся в непрерывном повторяющемся движении, что удовлетворяет буквальному определению «вечного движения»[10][11][12][13]. Однако, они не представляют собой вечные двигатели в традиционном смысле и не нарушают термодинамические законы, потому что они находятся в своем квантовом основном состоянии, поэтому никакая энергия не может быть извлечена из них; у них есть «движение без энергии».

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:

Демон Максвелла и броуновский храповик, 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].

Индийский или арабский вечный двигатель с небольшими косо закреплёнными сосудами, частично наполненными ртутью

Попытки исследования места, времени и причины возникновения идеи вечного двигателя — задача весьма сложная. Не менее затруднительно назвать и первого автора подобного замысла. К самым ранним сведениям о Perpetuum mobile относится, по-видимому, упоминание, которое мы находим у индийского поэта, математика и астронома Бхаскары, а также отдельные заметки в арабских рукописях XVI в., хранящихся в Лейдене, Готе и Оксфорде[15]. В настоящее время прародиной первых вечных двигателей по праву считается Индия. Так, Бхаскара в своём стихотворении, датируемом примерно 1150 г., 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: [16]. Первые проекты вечного двигателя в Европе относятся к эпохе развития механики, приблизительно к XIII веку. 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.

«Наполненное таким образом жидкостью колесо, будучи насажено на ось, лежащую на двух неподвижных опорах, непрерывно вращается само по себе»

Среди рисунков Леонардо Да Винчи была найдена гравюра с чертежом вечного двигателя, но в целом он скептически относился к идее вечного двигателя.[16]

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.

В 1775 году Парижская академия наук приняла решение не рассматривать проекты вечного двигателя из-за очевидной невозможности их создания[17]. Патентное ведомство США не выдаёт патенты на perpetuum mobile уже более ста лет[18]. Тем не менее, в Международной патентной классификации сохраняются разделы для гидродинамических () и электродинамических () вечных двигателей.

Псевдовечный двигатель (даровой двигатель, мнимый вечный двигатель[19], псевдо-вечный двигатель[20]) — 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).

Известны псевдовечные двигатели, использующие: энергию периодических суточных колебаний атмосферного давления[21][22];; энергию теплового расширения вследствие суточных колебаний температуры[23][22]; энергию распада радия[24]; солнечную энергию (магнитно-тепловой двигатель)[25][26].

Я. И. Перельман[23] и Н. В. Гулиа[22] 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.

В. М. Бродянский считает этот вывод неверным, поскольку стоимость устройства не пропорциональна его размерам[20].

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[27].