|
— Что такое perpetuum mobile? — спросил Мартын.
— Perpetuum mobile, — отвечает ему Бертольд, — есть вечное движение. Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому… Видишь ли, добрый мой Мартын! Делать золото — задача заманчивая, открытие, может быть, любопытное и выгодное, но найти perpetuum mobile… о!
А. С. Пушкин «Сцены из рыцарских времён»
Чтобы расставить все точки над i, давайте сразу оговоримся:
Вечных двигателей не бывает и быть не может.
Физика, в основном, наука точная, поэтому утверждение о существовании вечных двигателей в том или ином виде отметается как нарушающее гармонию мира (и, что самое грустное, фундаментальные законы природы) и не имеющее обоснованного базиса. Желающие поспорить — не забудьте прочитать вот эту информацию. Закон сохранения энергии пока не отменён. Он как раз относится к тем самым законам, которые верны всегда и везде (см. опус про фундаментальность физических законов).
В конце этой страницы (вот по этой ссылке) приведены те самые три начала термодинамики, которые, при всём вашем желании, не дадут возможности создать вечный двигатель.
Все начала термодинамики пока ещё верны и никем не опровергнуты, а все вместе они приводят именно к тому выводу, который написан полужирным шрифтом выше.
Можно поставить ветряк и получать из его вращения электроэнергию. От вас в этом случае ничего не требуется (да и природе, говорят, не вредит). Но это не пример вечного двигателя. Закон сохранения энергии и начала термодинамики, как бы это ни казалось невероятным, выполняются и здесь. Это пример того, с чем вечные двигатели частенько путают. Это так называемый даровой двигатель. Сюда же входит и приливный генератор, работающий на разнице уровня воды во время прилива и во время отлива, и солнечные батареи, и многое другое.
Есть также хитрые приборчики, внешне сильно смахивающие на живое опровержение моих слов: всяческие качающиеся и крутящиеся механизмы, обильно продающиеся в переходах метро. В своё время было очень популярно ставить их в студию какой-нибудь телевизионной передачи. Всё время в кадре что-то крутится безо всяких гирек и подталкиваний… Ух! Эффектно!
И опять я вынужден вас разочаровать. Это не вечные качалки и крутилки. Просто трение в их частях настолько мало, что позволяет им ещё очень долгое время после начального толчка качаться, крутиться, дрыгаться и трепыхаться.
Вот тут американцы, французы, англичане и так далее совершенно правы: местное патентное бюро на Нью Йоркщине, Парижщине, Лондонщине и т.д. принципиально даже не принимает к рассмотрению проекты вечных двигателей. Может быть, наше тоже. Не знаю — не проверял.
Как обещал: начала термодинамики.
Согласно Первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии.
Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.
При сообщении термодинамической системе некоторого количества теплоты Q в общем случае происходит изменение т.н. внутренней энергии системы DU и система совершает работу А
dQ = DU + dA
Это уравнение, выражающее Первое начало термодинамики, является определением изменения внутренней энергии системы (DU), так как Q и А — независимо измеряемые величины.
Второе начало термодинамики — принцип, устанавливающий необратимость макроскопических процессов, протекающих с конечной скоростью. В отличие от чисто механических или электродинамических обратимых процессов, процессы, связанные с теплообменом при конечной разности температур (то есть протекающие с конечной скоростью), с трением, диффузией газов, расширением газов в пустоту, выделением джоулевой теплоты и т.д., необратимы, то есть могут самопроизвольно протекать только в одном направлении.
Существует несколько эквивалентных формулировок Второго начала ТД:
Невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым (т.н. формулировка Клаузиуса). При этом самопроизвольный переход не следует понимать в узком смысле: невозможен не только непосредственный переход, его невозможно осуществить и с помощью машин или приборов без того, чтобы в природе не произошло ещё каких-либо изменений.
Иными словами, невозможно провести процесс, единственным следствием которого был бы переход теплоты от более холодного тела к более нагретому.
Если бы такой процесс оказался возможным, то можно было бы, разделив один тепловой резервуар на две части и переводя теплоту из одной в другую, получить два резервуара с различными температурами. Это позволило бы получить механическую работу с помощью периодически действующей машины за счёт внутренней энергии одного теплового резервуара. Обратно, если бы можно было получить механическую работу за счёт внутренней энергии одного теплового резервуара, то можно было бы нарушить и положение Клаузиуса. Механическую работу, полученую за счёт теплоты от более холодного резервуара, можно было бы использовать для нагревания более тёплого резервуара (например, трением) и тем самым осуществить переход теплоты от холодного тела к нагретому. Обе приведённые формулировки Второго начала ТД, являясь эквивалентными, подчёркивают существенное различие в возможности реализации энергии, полученной за счёт внешних источников работы, и энергии беспорядочного (теплового) движения частиц тела.
Возможность использования энергии теплового движения частиц тела для получения механической работы (без изменения состояния других тел) означала бы возможность создания так называемого вечного двигателя второго рода, работа которого не противоречила бы закону сохранения энергии. Так, работа двигателя корабля за счёт охлаждения забортной воды океана — доступного и практически неисчерпаемого резервуара внутренней энергии — не противоречит закону сохранения энергии, но если, кроме охлаждения воды, нигде других изменений нет, то работа такого двигателя противоречит Второму началу ТД.
Следовательно, Второе начало ТД можно cформулировать и как невозможность и запрет на создание вечного двигателя второго рода.
В современной термодинамике Второе начало ТД формулируется единым и самым общим образом как закон возрастания особой функции состояния системы, которую Клаузиус назвал энтропией. Согласно этому закону, в замкнутой системе энтропия S при любом реальном процессе либо возрастает, либо остаётся неизменной, т.е. изменение энтропии DS і 0, причём знак равенства имеет место для обратимых процессов.
В состоянии равновесия энтропия замкнутой системы достигает максимума и никакие макроскопические процессы в такой системе, согласно Второму началу ТД, невозможны. Для незамкнутой системы направление возможных процессов, а также условия равновесия могут быть получены из закона возрастания энтропии, примененного к составной замкнутой системе, получаемой путём присоединения всех тел, участвующих в процессе.
Третье начало термодинамики, тепловой закон Нернста (теорема Нернста) — закон термодинамики, согласно которому энтропия S любой системы стремится к конечному для неё пределу, не зависящему от давления, плотности или фазы, при стремлении температуры (Т) к абсолютному нулю.
Третье начало ТД позволяет находить абсолютное значения энтропии, что нельзя сделать в рамках классической термодинамики (на основе Первого и Второго начал термодинамики). В классической термодинамике энтропия может быть определена только с точностью до произвольной аддитивной постоянной S0. Согласно Третьему началу ТД, при Т ® 0 значение DS ® 0.
В формулировке Планка Третье начало ТД сформулировано как условие обращения в ноль энтропии всех тел при стремлении температуры к абсолютному нулю. Отсюда S0 = 0, что даёт возможность определять абсолютное значение энтропии.
Из Третьего начала ТД следует, что абсолютного нуля температуры нельзя достигнуть ни в каком конечном процессе, связанном с изменением энтропии, к нему можно лишь асимптотически приближаться, поэтому Третье начало ТД иногда формулируют как принцип недостижимости абсолютного нуля температуры.
Справедливость Третьего начала ТД одно время подвергалась сомнению, но позже было выяснено, что все кажущиеся противоречия (ненулевое значение энтропии у ряда веществ при Т = 0) связаны с метастабильными состояниями вещества, которые нельзя считать термодинамически равновесными.
Вернуться к началу страницы
Вниманию изобретателей вечных двигателей.
Милые дамы и уважаемые господа!
Я отнюдь не считаю себя умнее и образованнее Английского Королевского Научного Общества, Американской Национальной Академии Наук и им подобных, не говоря уж о Российской Академии Наук, к которой я по-прежнему испытываю глубокое почтение. Да и ещё, ко всему прочему, так уж получилось, что у меня довольно много дел, а свободного времени мало. Да и то свободное время, что есть, я предпочитаю тратить на приятные и полезные с моей точки зрения мероприятия.
Поэтому пожалуйста не утруждайте себя присыланием на мой адрес всякоразновозможных хитроописаных «вечных двигателей», да ещё и безо всяких мелочей типа сопровождающего письма и ерунды типа приветствия. А уж если присылаете, то не пеняйте за молчание. В конце концов, если уж серьёзные люди рассмотрением не занимаются, то уж куда мне-то… Тем более что чем вам я-то помогу? Как только сделаете действующую модель — сразу несите, а многословные и очень хитрозакрученые рассуждения можно пока и попридержать.
Если уж вам совсем не терпится, то есть вполне серьёзная организация — Российская Академия Наук (не Естественных, а самых что ни на есть обычных). Вот туда можете направлять свои изыскания. Адресатом, пожалуй, можно указать академика Эдуарда Павловича Круглякова.
Честно признаюсь: когда я изначально писал эту страницу, то подозревал, что именно часть о вечных двигателях будет самой обсуждаемой (ну и ещё, пожалуй, надеялся на «Заряженые пирамиды и чудодейственные шарики»). Однако я вас недооценил. Такого количества всяческих хитроумных текстов я не ожидал. И не беда, что в них сплошь и рядом попадаются сочетания «не требет внешнего питания», а через 5 строк вдруг «подключим к источнику напряжения». Главное участие!
Участвуйте, господа, участвуйте. Как я уже говорил, вдруг что дельное рядом выйдет. Но от должности рецензента меня увольте.
С уважением,
Пётр,
Ваш Молодой физик
Вернуться к началу страницы
  
| 
