Oh voi cercatori del moto perpetuo, quante vane chimere avete inseguito? Andate a prendere posto con gli alchimisti.
– Leonardo da Vinci, 1494
C’è un consenso scientifico che il moto perpetuo in un sistema isolato viola la prima legge della termodinamica, la seconda legge della termodinamica o entrambe. La prima legge della termodinamica è una versione della legge di conservazione dell’energia. La seconda legge può essere formulata in diversi modi, il più intuitivo dei quali è che il calore scorre spontaneamente da luoghi più caldi a luoghi più freddi; rilevante qui è che la legge osserva che in ogni processo macroscopico, c’è attrito o qualcosa di simile; un’altra affermazione è che nessun motore termico (un motore che produce lavoro mentre sposta calore da un’alta temperatura a una bassa temperatura) può essere più efficiente di un motore termico di Carnot che opera tra le stesse due temperature.
In altre parole:
- In qualsiasi sistema isolato, non si può creare nuova energia (legge di conservazione dell’energia). Di conseguenza, l’efficienza termica – la potenza di lavoro prodotta divisa per la potenza di riscaldamento in entrata – non può essere maggiore di uno.
- La potenza di lavoro in uscita dei motori termici è sempre minore della potenza di riscaldamento in entrata. Il resto dell’energia termica fornita viene sprecata come calore nell’ambiente circostante. Il rendimento termico ha quindi un massimo, dato dal rendimento di Carnot, che è sempre inferiore a uno.
- Il rendimento dei motori termici reali è ancora inferiore al rendimento di Carnot a causa dell’irreversibilità derivante dalla velocità dei processi, incluso l’attrito.
Le affermazioni 2 e 3 si applicano ai motori termici. Altri tipi di motori che convertono, ad esempio, l’energia meccanica in energia elettromagnetica, non possono funzionare con un’efficienza del 100%, perché è impossibile progettare qualsiasi sistema che sia privo di dissipazione di energia.
Le macchine che rispettano entrambe le leggi della termodinamica accedendo all’energia da fonti non convenzionali sono talvolta definite macchine a moto perpetuo, sebbene non soddisfino i criteri standard per questo nome. A titolo di esempio, orologi e altre macchine a bassa potenza, come l’orologio di Cox, sono stati progettati per funzionare sulle differenze di pressione barometrica o di temperatura tra la notte e il giorno. Queste macchine hanno una fonte di energia, anche se non è immediatamente evidente, così che sembrano solo violare le leggi della termodinamica.
Anche le macchine che estraggono energia da fonti di lunga durata – come le correnti oceaniche – si esauriranno quando le loro fonti di energia lo faranno inevitabilmente. Non sono macchine a moto perpetuo perché consumano energia da una fonte esterna e non sono sistemi isolati.
ClassificazioneModifica
Una classificazione delle macchine a moto perpetuo si riferisce alla particolare legge della termodinamica che le macchine pretendono di violare:
- Una macchina a moto perpetuo del primo tipo produce lavoro senza l’input di energia. Viola quindi la prima legge della termodinamica: la legge della conservazione dell’energia.
- Una macchina a moto perpetuo del secondo tipo è una macchina che converte spontaneamente l’energia termica in lavoro meccanico. Quando l’energia termica è equivalente al lavoro fatto, questo non viola la legge di conservazione dell’energia. Tuttavia, viola la più sottile seconda legge della termodinamica (vedi anche entropia). La firma di una macchina a moto perpetuo del secondo tipo è che c’è solo un serbatoio di calore coinvolto, che viene raffreddato spontaneamente senza implicare un trasferimento di calore a un serbatoio più freddo. Questa conversione del calore in lavoro utile, senza alcun effetto collaterale, è impossibile, secondo la seconda legge della termodinamica.
- Una macchina a moto perpetuo del terzo tipo è solitamente (ma non sempre) definita come una che elimina completamente l’attrito e altre forze dissipative, per mantenere il moto per sempre grazie alla sua inerzia di massa (Terzo in questo caso si riferisce esclusivamente alla posizione nello schema di classificazione di cui sopra, non alla terza legge della termodinamica). È impossibile realizzare una tale macchina, poiché la dissipazione non può mai essere completamente eliminata in un sistema meccanico, non importa quanto un sistema si avvicini a questo ideale (vedi esempi nella sezione Basso Attrito).
ImpossibilitàModifica
L'”impossibilità epistemica” descrive cose che non possono assolutamente verificarsi nell’ambito della nostra attuale formulazione delle leggi fisiche. Questa interpretazione della parola “impossibile” è ciò che si intende nelle discussioni sull’impossibilità del moto perpetuo in un sistema chiuso.
Le leggi di conservazione sono particolarmente robuste da una prospettiva matematica. Il teorema di Noether, dimostrato matematicamente nel 1915, afferma che qualsiasi legge di conservazione può essere derivata da una simmetria continua corrispondente dell’azione di un sistema fisico. La simmetria equivalente alla conservazione dell’energia è l’invarianza temporale delle leggi fisiche. Quindi, se le leggi della fisica non cambiano con il tempo, allora la conservazione dell’energia segue. Affinché la conservazione dell’energia venga violata per permettere il moto perpetuo, sarebbe necessario cambiare i fondamenti della fisica.
Le indagini scientifiche per stabilire se le leggi della fisica sono invarianti nel tempo usano i telescopi per esaminare l’universo nel lontano passato per scoprire, fino ai limiti delle nostre misure, se le stelle antiche erano identiche alle stelle di oggi. Combinando diverse misure come la spettroscopia, la misurazione diretta della velocità della luce nel passato e misure simili, si dimostra che la fisica è rimasta sostanzialmente la stessa, se non identica, per tutto il tempo osservabile che abbraccia miliardi di anni.
I principi della termodinamica sono così ben stabiliti, sia teoricamente che sperimentalmente, che le proposte di macchine a moto perpetuo sono universalmente incontrate con incredulità da parte dei fisici. Ogni progetto di moto perpetuo proposto offre una sfida potenzialmente istruttiva ai fisici: si è certi che non può funzionare, quindi si deve spiegare come non funziona. La difficoltà (e il valore) di un tale esercizio dipende dalla sottigliezza della proposta; i migliori tendono a nascere dagli esperimenti di pensiero dei fisici stessi e spesso fanno luce su alcuni aspetti della fisica. Così, per esempio, l’esperimento pensato di un cricchetto browniano come macchina a moto perpetuo fu discusso per la prima volta da Gabriel Lippmann nel 1900, ma fu solo nel 1912 che Marian Smoluchowski diede una spiegazione adeguata del perché non può funzionare. Tuttavia, durante quel periodo di dodici anni gli scienziati non credevano che la macchina fosse possibile. Erano semplicemente all’oscuro dell’esatto meccanismo con cui sarebbe inevitabilmente fallita.
La legge che l’entropia aumenta sempre, detiene, credo, la posizione suprema tra le leggi della Natura. Se qualcuno ti fa notare che la tua teoria dell’universo è in disaccordo con le equazioni di Maxwell – allora tanto peggio per le equazioni di Maxwell. Se si scopre che è contraddetta dall’osservazione – beh, questi sperimentatori fanno pasticci a volte. Ma se si scopre che la sua teoria è contraria alla seconda legge della termodinamica, non posso darle alcuna speranza; non c’è altro da fare che crollare nella più profonda umiliazione.
– Sir Arthur Stanley Eddington, The Nature of the Physical World (1927)
A metà del XIX secolo Henry Dircks indagò sulla storia degli esperimenti di moto perpetuo, scrivendo un attacco al vetriolo contro coloro che continuavano a tentare ciò che lui riteneva impossibile:
“C’è qualcosa di deplorevole, degradante e quasi folle nel perseguire con ostinata determinazione gli schemi visionari delle epoche passate, in percorsi di apprendimento che sono stati investigati da menti superiori, e con i quali tali persone avventurose non hanno alcuna conoscenza. La storia del moto perpetuo è una storia della stupidità di persone semiapprese o totalmente ignoranti.”
– Henry Dircks, Perpetuum Mobile: Or, A History of the Search for Self-motive (1861)
TechniquesEdit
Un giorno l’uomo collegherà il suo apparato alla ruota stessa dell’universo e le stesse forze che motivano i pianeti nelle loro orbite e li fanno ruotare faranno ruotare il suo stesso macchinario.
– Nikola Tesla
Alcune idee comuni ricorrono ripetutamente nei progetti di macchine a moto perpetuo. Molte idee che continuano ad apparire oggi sono state enunciate già nel 1670 da John Wilkins, vescovo di Chester e funzionario della Royal Society. Egli delineò tre potenziali fonti di energia per una macchina a moto perpetuo, “Estrazioni Chimiche”, “Virtù Magnetiche” e “l’Affetto Naturale della Gravità”.
La capacità apparentemente misteriosa dei magneti di influenzare il movimento a distanza senza alcuna fonte di energia apparente ha attratto a lungo gli inventori. Uno dei primi esempi di motore magnetico fu proposto da Wilkins e da allora è stato ampiamente copiato: consiste in una rampa con un magnete in cima, che tirava una palla di metallo su per la rampa. Vicino al magnete c’era un piccolo foro che doveva permettere alla palla di cadere sotto la rampa e tornare in fondo, dove un lembo le permetteva di tornare di nuovo in cima. Il dispositivo semplicemente non poteva funzionare. Di fronte a questo problema, le versioni più moderne usano tipicamente una serie di rampe e magneti, posizionati in modo che la palla venga passata da un magnete all’altro mentre si muove. Il problema rimane lo stesso.
La gravità agisce anche a distanza, senza una fonte di energia apparente, ma per ottenere energia da un campo gravitazionale (per esempio, facendo cadere un oggetto pesante, producendo energia cinetica mentre cade) si deve mettere energia (per esempio, sollevando l’oggetto), e una parte di energia viene sempre dissipata nel processo. Una tipica applicazione della gravità in una macchina a moto perpetuo è la ruota di Bhaskara nel XII secolo, la cui idea chiave è essa stessa un tema ricorrente, spesso chiamata la ruota sbilanciata: i pesi in movimento sono attaccati a una ruota in modo tale che cadano in una posizione più lontana dal centro della ruota per una metà della rotazione della ruota, e più vicina al centro per l’altra metà. Poiché i pesi più lontani dal centro applicano una coppia maggiore, si pensava che la ruota avrebbe ruotato per sempre. Tuttavia, poiché il lato con i pesi più lontano dal centro ha meno pesi dell’altro lato, in quel momento, la coppia è bilanciata e il movimento perpetuo non si ottiene. I pesi in movimento possono essere martelli su bracci imperniati, o sfere rotanti, o mercurio in tubi; il principio è lo stesso.
Un’altra macchina teorica prevede un ambiente senza attrito per il movimento. Questo comporta l’uso della levitazione diamagnetica o elettromagnetica per far galleggiare un oggetto. Questo viene fatto nel vuoto per eliminare l’attrito dell’aria e l’attrito di un asse. L’oggetto levitato è quindi libero di ruotare intorno al suo centro di gravità senza interferenze. Tuttavia, questa macchina non ha alcuno scopo pratico perché l’oggetto ruotato non può fare alcun lavoro poiché il lavoro richiede che l’oggetto levitato provochi il movimento in altri oggetti, portando l’attrito nel problema. Inoltre, un vuoto perfetto è un obiettivo irraggiungibile poiché sia il contenitore che l’oggetto stesso vaporizzerebbero lentamente, degradando così il vuoto.
Per estrarre lavoro dal calore, producendo così una macchina a moto perpetuo del secondo tipo, l’approccio più comune (risalente almeno al demone di Maxwell) è l’unidirezionalità. Solo le molecole che si muovono abbastanza velocemente e nella giusta direzione possono passare attraverso la botola del demone. In un cricchetto browniano, le forze che tendono a far girare il cricchetto in una direzione sono in grado di farlo, mentre le forze nell’altra direzione no. Un diodo in un bagno di calore permette il passaggio di correnti in una direzione e non nell’altra. Questi schemi tipicamente falliscono in due modi: o mantenere l’unidirezionalità costa energia (richiedendo al demone di Maxwell di compiere più lavoro termodinamico per misurare la velocità delle molecole che la quantità di energia guadagnata dalla differenza di temperatura causata) o l’unidirezionalità è un’illusione e grandi violazioni occasionali compensano le frequenti piccole non-violazioni (il cricchetto browniano sarà soggetto a forze interne browniane e quindi a volte girerà nel senso sbagliato).
La galleggiabilità è un altro fenomeno spesso frainteso. Alcune macchine a moto perpetuo proposte non tengono conto del fatto che spingere un volume d’aria verso il basso in un fluido richiede lo stesso lavoro che sollevare un volume corrispondente di fluido contro la gravità. Questi tipi di macchine possono coinvolgere due camere con pistoni, e un meccanismo per spremere l’aria dalla camera superiore in quella inferiore, che poi diventa galleggiante e galleggia verso l’alto. Il meccanismo di spremitura in questi progetti non sarebbe in grado di fare abbastanza lavoro per spostare l’aria verso il basso, o non lascerebbe lavoro in eccesso disponibile per essere estratto.