Oh, vous qui cherchez le mouvement perpétuel, combien de vaines chimères avez-vous poursuivies ? Allez prendre votre place auprès des alchimistes.
– Léonard de Vinci, 1494
Il existe un consensus scientifique selon lequel le mouvement perpétuel dans un système isolé viole soit la première loi de la thermodynamique, soit la deuxième loi de la thermodynamique, soit les deux. La première loi de la thermodynamique est une version de la loi de la conservation de l’énergie. La deuxième loi peut être formulée de plusieurs manières différentes, la plus intuitive étant que la chaleur s’écoule spontanément des endroits les plus chauds vers les endroits les plus froids ; ce qui est pertinent ici, c’est que la loi observe que dans tout processus macroscopique, il y a une friction ou quelque chose d’approchant ; une autre affirmation est qu’aucun moteur thermique (un moteur qui produit du travail tout en déplaçant la chaleur d’une température élevée vers une température basse) ne peut être plus efficace qu’un moteur thermique de Carnot fonctionnant entre les deux mêmes températures.
En d’autres termes :
- Dans tout système isolé, on ne peut pas créer d’énergie nouvelle (loi de conservation de l’énergie). Par conséquent, le rendement thermique – la puissance de travail produite divisée par la puissance de chauffage d’entrée – ne peut pas être supérieur à un.
- La puissance de travail de sortie des moteurs thermiques est toujours inférieure à la puissance de chauffage d’entrée. Le reste de l’énergie thermique fournie est perdue sous forme de chaleur dans l’environnement ambiant. Le rendement thermique a donc un maximum, donné par le rendement de Carnot, qui est toujours inférieur à un.
- Le rendement des moteurs thermiques réels est même inférieur au rendement de Carnot en raison de l’irréversibilité découlant de la vitesse des processus, y compris la friction.
Les affirmations 2 et 3 s’appliquent aux moteurs thermiques. D’autres types de moteurs qui convertissent par exemple l’énergie mécanique en énergie électromagnétique, ne peuvent pas fonctionner avec un rendement de 100 %, car il est impossible de concevoir tout système exempt de dissipation d’énergie.
Les machines qui respectent les deux lois de la thermodynamique en accédant à l’énergie à partir de sources non conventionnelles sont parfois appelées machines à mouvement perpétuel, bien qu’elles ne répondent pas aux critères standard de cette appellation. À titre d’exemple, les horloges et autres machines de faible puissance, comme la montre de Cox, ont été conçues pour fonctionner grâce aux différences de pression barométrique ou de température entre la nuit et le jour. Ces machines ont une source d’énergie, bien qu’elle ne soit pas facilement apparente, de sorte qu’elles ne semblent violer que les lois de la thermodynamique.
Même les machines qui extraient de l’énergie de sources à longue durée de vie – comme les courants marins – s’épuiseront lorsque leurs sources d’énergie le feront inévitablement. Ce ne sont pas des machines à mouvement perpétuel car elles consomment de l’énergie provenant d’une source externe et ne sont pas des systèmes isolés.
ClassificationEdit
Une classification des machines à mouvement perpétuel fait référence à la loi particulière de la thermodynamique que les machines prétendent violer :
- Une machine à mouvement perpétuel du premier type produit un travail sans apport d’énergie. Elle viole donc la première loi de la thermodynamique : la loi de la conservation de l’énergie.
- Une machine à mouvement perpétuel du second type est une machine qui convertit spontanément l’énergie thermique en travail mécanique. Lorsque l’énergie thermique est équivalente au travail effectué, cela ne viole pas la loi de conservation de l’énergie. En revanche, elle enfreint la deuxième loi de la thermodynamique, plus subtile (voir aussi entropie). La signature d’une machine à mouvement perpétuel du deuxième type est qu’elle ne comporte qu’un seul réservoir de chaleur, qui se refroidit spontanément sans impliquer de transfert de chaleur vers un réservoir plus froid. Cette conversion de la chaleur en travail utile, sans aucun effet secondaire, est impossible, selon la deuxième loi de la thermodynamique.
- Une machine à mouvement perpétuel du troisième type est généralement (mais pas toujours) définie comme une machine qui élimine complètement la friction et les autres forces dissipatives, pour maintenir le mouvement pour toujours en raison de son inertie de masse (Troisième dans ce cas se réfère uniquement à la position dans le schéma de classification ci-dessus, et non à la troisième loi de la thermodynamique). Il est impossible de fabriquer une telle machine, car la dissipation ne peut jamais être complètement éliminée dans un système mécanique, même si un système se rapproche de cet idéal (voir les exemples dans la section Faible frottement).
ImpossibilitéEdit
« L’impossibilité épistémique » décrit des choses qui ne peuvent absolument pas se produire dans le cadre de notre formulation actuelle des lois physiques. Cette interprétation du mot « impossible » est ce qui est visé dans les discussions sur l’impossibilité du mouvement perpétuel dans un système fermé.
Les lois de conservation sont particulièrement robustes d’un point de vue mathématique. Le théorème de Noether, qui a été prouvé mathématiquement en 1915, stipule que toute loi de conservation peut être dérivée d’une symétrie continue correspondante de l’action d’un système physique. La symétrie qui est équivalente à la conservation de l’énergie est l’invariance temporelle des lois physiques. Par conséquent, si les lois de la physique ne changent pas avec le temps, la conservation de l’énergie s’ensuit. Pour que la conservation de l’énergie soit violée afin de permettre le mouvement perpétuel, il faudrait que les fondements de la physique changent.
Les recherches scientifiques pour savoir si les lois de la physique sont invariantes dans le temps utilisent des télescopes pour examiner l’univers dans un passé lointain afin de découvrir, dans la limite de nos mesures, si les étoiles anciennes étaient identiques aux étoiles actuelles. La combinaison de différentes mesures telles que la spectroscopie, la mesure directe de la vitesse de la lumière dans le passé et d’autres mesures similaires démontre que la physique est restée sensiblement la même, sinon identique, pour tout le temps observable s’étendant sur des milliards d’années.
Les principes de la thermodynamique sont si bien établis, à la fois théoriquement et expérimentalement, que les propositions de machines à mouvement perpétuel sont universellement accueillies avec incrédulité de la part des physiciens. Toute proposition de conception d’une machine à mouvement perpétuel constitue un défi potentiellement instructif pour les physiciens : on est certain qu’elle ne peut pas fonctionner, il faut donc expliquer comment elle ne fonctionne pas. La difficulté (et la valeur) d’un tel exercice dépend de la subtilité de la proposition ; les meilleures propositions ont tendance à découler des propres expériences de pensée des physiciens et font souvent la lumière sur certains aspects de la physique. Ainsi, par exemple, l’expérience de pensée d’un cliquet brownien en tant que machine à mouvement perpétuel a été abordée pour la première fois par Gabriel Lippmann en 1900, mais ce n’est qu’en 1912 que Marian Smoluchowski a expliqué de manière adéquate pourquoi elle ne peut pas fonctionner. Cependant, pendant cette période de douze ans, les scientifiques ne croyaient pas que la machine était possible. Ils ignoraient simplement le mécanisme exact par lequel elle échouerait inévitablement.
La loi selon laquelle l’entropie augmente toujours, tient, je pense, la position suprême parmi les lois de la Nature. Si quelqu’un vous fait remarquer que votre théorie favorite de l’univers est en désaccord avec les équations de Maxwell – alors tant pis pour les équations de Maxwell. S’il s’avère qu’elle est contredite par l’observation – eh bien, ces expérimentateurs font parfois des erreurs. Mais s’il s’avère que votre théorie est contre la deuxième loi de la thermodynamique, je ne peux vous donner aucun espoir ; il n’y a rien d’autre à faire que de s’effondrer dans la plus profonde humiliation.
– Sir Arthur Stanley Eddington, La nature du monde physique (1927)
Au milieu du XIXe siècle, Henry Dircks a enquêté sur l’histoire des expériences de mouvement perpétuel, écrivant une attaque au vitriol contre ceux qui continuaient à tenter ce qu’il croyait impossible :
« Il y a quelque chose de lamentable, de dégradant et de presque insensé à poursuivre avec acharnement les projets visionnaires des âges passés, dans des voies d’apprentissage qui ont été étudiées par des esprits supérieurs, et que ces personnes aventureuses ne connaissent absolument pas. L’histoire du mouvement perpétuel est une histoire de la témérité de personnes soit à moitié instruites, soit totalement ignorantes. »
– Henry Dircks, Perpetuum Mobile : Ou, une histoire de la recherche de l’automoteur (1861)
TechniquesEdit
Un jour, l’homme connectera son appareil à la rouerie même de l’univers et les forces mêmes qui motivent les planètes dans leurs orbites et les font tourner feront tourner sa propre machinerie.
– Nikola Tesla
Certaines idées communes reviennent à plusieurs reprises dans les conceptions de machines à mouvement perpétuel. De nombreuses idées qui continuent à apparaître aujourd’hui ont été énoncées dès 1670 par John Wilkins, évêque de Chester et fonctionnaire de la Royal Society. Il a exposé trois sources potentielles d’énergie pour une machine à mouvement perpétuel, les « extractions chymiques », les « vertus magnétiques » et « l’affection naturelle de la gravité ».
La capacité apparemment mystérieuse des aimants à influencer le mouvement à distance sans source d’énergie apparente a longtemps séduit les inventeurs. L’un des premiers exemples de moteur magnétique a été proposé par Wilkins et a été largement copié depuis : il consiste en une rampe avec un aimant au sommet, qui tirait une boule de métal vers le haut de la rampe. Près de l’aimant se trouvait un petit trou qui était censé permettre à la boule de tomber sous la rampe et de revenir en bas, où un volet lui permettait de revenir à nouveau en haut. Le dispositif ne pouvait tout simplement pas fonctionner. Face à ce problème, les versions plus modernes utilisent généralement une série de rampes et d’aimants, positionnés de telle sorte que la balle doit passer d’un aimant à l’autre au fur et à mesure de son déplacement. Le problème reste le même.
La gravité agit également à distance, sans source d’énergie apparente, mais pour obtenir de l’énergie d’un champ gravitationnel (par exemple, en laissant tomber un objet lourd, produisant de l’énergie cinétique lors de sa chute), il faut y mettre de l’énergie (par exemple, en soulevant l’objet), et une certaine énergie est toujours dissipée dans le processus. Une application typique de la gravité dans une machine à mouvement perpétuel est la roue de Bhaskara au 12e siècle, dont l’idée clé est elle-même un thème récurrent, souvent appelé la roue en suréquilibre : des poids mobiles sont attachés à une roue de telle manière qu’ils tombent dans une position plus éloignée du centre de la roue pendant une moitié de la rotation de la roue, et plus proche du centre pendant l’autre moitié. Comme les poids les plus éloignés du centre appliquent un couple plus important, on pensait que la roue tournerait éternellement. Cependant, comme le côté où les poids sont les plus éloignés du centre a moins de poids que l’autre côté, à ce moment-là, le couple est équilibré et le mouvement perpétuel n’est pas atteint. Les poids en mouvement peuvent être des marteaux sur des bras pivotants, ou des boules roulantes, ou du mercure dans des tubes ; le principe est le même.
Une autre machine théorique implique un environnement sans friction pour le mouvement. Cela implique l’utilisation de la lévitation diamagnétique ou électromagnétique pour faire flotter un objet. Cela se fait dans le vide pour éliminer la friction de l’air et la friction d’un axe. L’objet en lévitation est alors libre de tourner autour de son centre de gravité sans interférence. Cependant, cette machine n’a aucune utilité pratique, car l’objet en rotation ne peut effectuer aucun travail. En effet, pour travailler, l’objet en lévitation doit provoquer le mouvement d’autres objets, ce qui fait intervenir la friction dans le problème. En outre, un vide parfait est un objectif inatteignable car le récipient et l’objet lui-même se vaporiseraient lentement, dégradant ainsi le vide.
Pour extraire le travail de la chaleur, produisant ainsi une machine à mouvement perpétuel du second type, l’approche la plus courante (remontant au moins au démon de Maxwell) est l’unidirectionnalité. Seules les molécules se déplaçant suffisamment vite et dans la bonne direction sont autorisées à franchir la trappe du démon. Dans un cliquet brownien, les forces tendant à faire tourner le cliquet dans un sens peuvent le faire, tandis que les forces dans l’autre sens ne le peuvent pas. Une diode dans un bain de chaleur laisse passer des courants dans un sens et pas dans l’autre. Ces schémas échouent généralement de deux manières : soit le maintien de l’unidirectionnalité coûte de l’énergie (nécessitant que le démon de Maxwell effectue plus de travail thermodynamique pour jauger la vitesse des molécules que la quantité d’énergie gagnée par la différence de température provoquée), soit l’unidirectionnalité est une illusion et les grandes violations occasionnelles compensent les petites non-violations fréquentes (le cliquet brownien sera soumis à des forces browniennes internes et tournera donc parfois dans le mauvais sens).
La flottabilité est un autre phénomène fréquemment mal compris. Certaines machines à mouvement perpétuel proposées manquent le fait que pour pousser un volume d’air vers le bas dans un fluide, il faut le même travail que pour élever un volume correspondant de fluide contre la gravité. Ces types de machines peuvent impliquer deux chambres avec des pistons, et un mécanisme pour presser l’air de la chambre supérieure vers la chambre inférieure, qui devient alors flottante et monte vers le haut. Le mécanisme d’écrasement dans ces conceptions ne serait pas en mesure d’effectuer un travail suffisant pour déplacer l’air vers le bas, ou ne laisserait aucun travail excédentaire disponible pour être extrait.
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