Oh ye seekers after perpetum mobile, how many vain chimeras have you pursued? Idźcie i zajmijcie swoje miejsce z alchemikami.
– Leonardo da Vinci, 1494
Istnieje konsensus naukowy, że perpetuum mobile w układzie izolowanym narusza albo pierwsze prawo termodynamiki, albo drugie prawo termodynamiki, albo oba. Pierwsze prawo termodynamiki jest wersją prawa zachowania energii. Drugie prawo może być sformułowane na kilka różnych sposobów, z których najbardziej intuicyjne jest to, że ciepło przepływa spontanicznie z miejsc cieplejszych do zimniejszych; istotne jest tutaj, że prawo to zauważa, że w każdym makroskopowym procesie występuje tarcie lub coś zbliżonego do niego; inne stwierdzenie jest takie, że żaden silnik cieplny (silnik, który wytwarza pracę podczas przenoszenia ciepła z wysokiej temperatury do niskiej) nie może być bardziej wydajny niż silnik cieplny Carnota działający pomiędzy tymi samymi dwiema temperaturami.
Innymi słowy:
- W żadnym odizolowanym układzie nie można wytworzyć nowej energii (prawo zachowania energii). W związku z tym sprawność cieplna – wytworzona moc robocza podzielona przez wejściową moc grzewczą – nie może być większa niż jeden.
- Wyjściowa moc robocza silników cieplnych jest zawsze mniejsza niż wejściowa moc grzewcza. Pozostała część dostarczonej energii cieplnej jest tracona jako ciepło do otoczenia. Sprawność cieplna ma zatem swoje maksimum, określone przez sprawność Carnota, która jest zawsze mniejsza od jedności.
- Sprawność rzeczywistych silników cieplnych jest nawet niższa od sprawności Carnota z powodu nieodwracalności wynikającej z szybkości procesów, w tym tarcia.
Stwierdzenia 2 i 3 dotyczą silników cieplnych. Inne rodzaje silników, które przetwarzają np. energię mechaniczną na elektromagnetyczną, nie mogą pracować ze 100% sprawnością, ponieważ nie da się zaprojektować układu wolnego od rozpraszania energii.
Maszyny, które spełniają oba prawa termodynamiki, czerpiąc energię z niekonwencjonalnych źródeł, są czasem nazywane perpetuum mobile, choć nie spełniają standardowych kryteriów tej nazwy. Na przykład, zegary i inne maszyny o małej mocy, takie jak czasomierz Coxa, zostały zaprojektowane tak, by działać w oparciu o różnice ciśnienia barometrycznego lub temperatury między nocą a dniem. Maszyny te mają źródło energii, choć nie jest ono łatwo dostrzegalne, więc tylko pozornie łamią prawa termodynamiki.
Nawet maszyny, które czerpią energię z długotrwałych źródeł – takich jak prądy oceaniczne – wyczerpią się, gdy ich źródła energii nieuchronnie się wyczerpią. Nie są one perpetuum mobile, ponieważ pobierają energię z zewnętrznego źródła i nie są izolowanymi systemami.
KlasyfikacjaEdit
Jedna z klasyfikacji perpetuum mobile odnosi się do konkretnego prawa termodynamiki, które maszyny rzekomo naruszają:
- Pierwszego rodzaju perpetuum mobile wytwarza pracę bez wkładu energii. Tym samym narusza pierwsze prawo termodynamiki: prawo zachowania energii.
- Drugie perpetuum mobile to maszyna, która spontanicznie przekształca energię cieplną w pracę mechaniczną. Kiedy energia cieplna jest równa wykonanej pracy, nie narusza to prawa zachowania energii. Jednakże, narusza bardziej subtelne drugie prawo termodynamiki (patrz również entropia). Cechą charakterystyczną perpetuum mobile drugiego rodzaju jest to, że występuje w nim tylko jeden zbiornik ciepła, który jest spontanicznie chłodzony bez konieczności przekazywania ciepła do chłodniejszego zbiornika. Taka zamiana ciepła w użyteczną pracę, bez żadnego efektu ubocznego, jest niemożliwa, zgodnie z drugim prawem termodynamiki.
- Perpetuum mobile trzeciego rodzaju jest zwykle (ale nie zawsze) definiowane jako takie, które całkowicie eliminuje tarcie i inne siły rozpraszające, aby utrzymać ruch na zawsze dzięki bezwładności masy (trzecie w tym przypadku odnosi się wyłącznie do pozycji w powyższym schemacie klasyfikacji, a nie do trzeciego prawa termodynamiki). Stworzenie takiej maszyny jest niemożliwe, ponieważ rozproszenie sił nigdy nie może być całkowicie wyeliminowane w systemie mechanicznym, bez względu na to, jak bardzo system zbliża się do ideału (patrz przykłady w sekcji Niskie tarcie).
ImpossibilityEdit
„Epistemiczna niemożliwość” opisuje rzeczy, które absolutnie nie mogą wystąpić w ramach naszego obecnego sformułowania praw fizycznych. Taka interpretacja słowa „niemożliwe” jest tym, co jest zamierzone w dyskusjach o niemożliwości perpetuum mobile w układzie zamkniętym.
Prawa zachowania są szczególnie solidne z matematycznego punktu widzenia. Twierdzenie Noethera, które zostało udowodnione matematycznie w 1915 roku, stwierdza, że każde prawo zachowania może być wyprowadzone z odpowiadającej mu ciągłej symetrii działania układu fizycznego. Symetrią, która jest równoważna zachowaniu energii, jest niezmienniczość czasowa praw fizycznych. Zatem, jeżeli prawa fizyki nie zmieniają się w czasie, to wynika z tego zachowanie energii. For energy conservation to be violated to allow perpetuum mobile would require that the foundations of physics would change.
Naukowe badania, czy prawa fizyki są niezmienne w czasie, używają teleskopów do badania wszechświata w odległej przeszłości, aby odkryć, do granic naszych pomiarów, czy starożytne gwiazdy były identyczne z gwiazdami dzisiaj. Połączenie różnych pomiarów, takich jak spektroskopia, bezpośredni pomiar prędkości światła w przeszłości i podobne pomiary pokazuje, że fizyka pozostała zasadniczo taka sama, jeśli nie identyczna, przez cały obserwowalny czas obejmujący miliardy lat.
Zasady termodynamiki są tak dobrze ugruntowane, zarówno teoretycznie, jak i eksperymentalnie, że propozycje perpetuum mobile spotykają się z niedowierzaniem fizyków. Każda proponowana konstrukcja perpetuum mobile stanowi potencjalnie pouczające wyzwanie dla fizyków: jest się pewnym, że nie może ona działać, więc trzeba wyjaśnić, jak to się dzieje, że nie działa. Trudność (i wartość) takiego zadania zależy od subtelności propozycji; najlepsze z nich zwykle wyrastają z własnych eksperymentów myślowych fizyków i często rzucają światło na pewne aspekty fizyki. Tak więc, na przykład, eksperyment myślowy z zapadką Browna jako perpetuum mobile został po raz pierwszy omówiony przez Gabriela Lippmanna w 1900 roku, ale dopiero w 1912 roku Marian Smoluchowski podał adekwatne wyjaśnienie, dlaczego nie może on działać. Jednak w ciągu tych dwunastu lat naukowcy nie wierzyli, że maszyna ta jest możliwa. Byli jedynie nieświadomi dokładnego mechanizmu, przez który nieuchronnie zawiedzie.
Prawo, że entropia zawsze wzrasta, zajmuje, jak sądzę, najwyższą pozycję wśród praw Natury. Jeśli ktoś zwróci Ci uwagę, że Twoja ulubiona teoria wszechświata nie zgadza się z równaniami Maxwella – tym gorzej dla równań Maxwella. Jeśli okaże się, że zaprzeczają jej obserwacje – cóż, eksperymentatorzy czasem coś spieprzyli. Ale jeśli okaże się, że twoja teoria jest sprzeczna z drugim prawem termodynamiki, nie mogę dać ci żadnej nadziei; nie ma dla niej nic innego, jak tylko upaść w najgłębszym upokorzeniu.
– Sir Arthur Stanley Eddington, The Nature of the Physical World (1927)
W połowie XIX wieku Henry Dircks badał historię eksperymentów perpetuum mobile, pisząc witalny atak na tych, którzy kontynuowali próby tego, co uważał za niemożliwe:
„Jest coś godnego pożałowania, poniżającego i niemal szalonego w podążaniu z upartą determinacją za wizjonerskimi schematami minionych wieków, ścieżkami nauki, które zostały zbadane przez wyższe umysły, a z którymi takie żądne przygód osoby są zupełnie niezaznajomione. Historia Perpetual Motion jest historią głupiej hartowności albo półuczonych, albo całkowicie ignoranckich osób.”
– Henry Dircks, Perpetuum Mobile: Or, A History of the Search for Self-motive (1861)
TechniquesEdit
Pewnego dnia człowiek podłączy swoją aparaturę do samego koła wszechświata, a siły, które motywują planety na ich orbitach i powodują ich obrót, będą obracać jego własną maszynerię.
– Nikola Tesla
Niektóre wspólne idee powtarzają się wielokrotnie w projektach perpetum mobile. Wiele pomysłów, które pojawiają się do dziś, zostało sformułowanych już w 1670 roku przez Johna Wilkinsa, biskupa Chester i urzędnika Royal Society. Przedstawił on trzy potencjalne źródła energii dla perpetuum mobile: „Chymical Extractions”, „Magnetical Virtues” i „the Natural Affection of Gravity”.
Zdawałoby się tajemnicza zdolność magnesów do wpływania na ruch na odległość bez żadnego widocznego źródła energii od dawna przemawiała do wynalazców. Jeden z najwcześniejszych przykładów silnika magnetycznego został zaproponowany przez Wilkinsa i od tego czasu był powszechnie kopiowany: składa się on z rampy z magnesem na górze, który ciągnął metalową kulkę w górę rampy. W pobliżu magnesu znajdował się mały otwór, który miał pozwolić kulce opaść pod rampę i wrócić na dół, gdzie klapka pozwalała jej ponownie wrócić na górę. Urządzenie to po prostu nie mogło działać. W obliczu tego problemu, bardziej nowoczesne wersje zazwyczaj używają serii ramp i magnesów, ustawionych tak, że kulka ma być przekazywana z jednego magnesu na drugi, gdy się porusza. Problem pozostaje ten sam.
Grawitacja również działa na odległość, bez widocznego źródła energii, ale aby uzyskać energię z pola grawitacyjnego (na przykład poprzez upuszczenie ciężkiego obiektu, wytwarzającego energię kinetyczną podczas spadania), trzeba włożyć energię (na przykład poprzez podniesienie obiektu do góry), a pewna ilość energii jest zawsze rozpraszana w tym procesie. Typowym zastosowaniem grawitacji w perpetuum mobile jest koło Bhaskara z XII wieku, którego kluczowym pomysłem jest sam powtarzający się motyw, często nazywany kołem nadmiernie wyważonym: ruchome ciężarki są przymocowane do koła w taki sposób, że spadają do pozycji bardziej oddalonej od środka koła przez jedną połowę jego obrotu, a bliżej środka przez drugą połowę. Ponieważ ciężarki znajdujące się dalej od środka działają z większym momentem obrotowym, sądzono, że koło będzie się obracać w nieskończoność. Jednakże, ponieważ strona z ciężarkami bardziej oddalona od środka ma mniej ciężarków niż druga strona, w tym momencie moment obrotowy jest zrównoważony i wieczny ruch nie jest osiągnięty. Ruchome ciężarki mogą być młotkami na obrotowych ramionach, toczącymi się kulkami lub rtęcią w rurkach; zasada jest ta sama.
Inna teoretyczna maszyna obejmuje beztarciowe środowisko dla ruchu. Wiąże się to z wykorzystaniem lewitacji diamagnetycznej lub elektromagnetycznej do unoszenia obiektu. Odbywa się to w próżni, aby wyeliminować tarcie powietrza i tarcie od osi. Lewitowany obiekt może wtedy swobodnie obracać się wokół swojego środka ciężkości bez zakłóceń. Jednak maszyna ta nie ma żadnego praktycznego zastosowania, ponieważ obracający się obiekt nie może wykonać żadnej pracy, ponieważ praca wymaga, aby lewitowany obiekt powodował ruch innych obiektów, co wprowadza do problemu tarcie. Co więcej, doskonała próżnia jest nieosiągalnym celem, ponieważ zarówno pojemnik, jak i sam obiekt powoli wyparowywałyby, pogarszając w ten sposób próżnię.
Aby uzyskać pracę z ciepła, tworząc w ten sposób perpetuum mobile drugiego rodzaju, najbardziej powszechnym podejściem (sięgającym co najmniej demona Maxwella) jest jednokierunkowość. Tylko cząsteczki poruszające się wystarczająco szybko i we właściwym kierunku są przepuszczane przez drzwi pułapki demona. W grzechotce Browna siły dążące do obrócenia grzechotki w jedną stronę są w stanie to zrobić, podczas gdy siły w przeciwnym kierunku nie są w stanie. Dioda w łaźni cieplnej przepuszcza prądy w jednym kierunku, a w drugim nie. Te schematy zwykle zawodzą na dwa sposoby: albo utrzymanie jednokierunkowości kosztuje energię (wymagając od demona Maxwella wykonania większej pracy termodynamicznej w celu zmierzenia prędkości molekuł niż ilość energii uzyskanej dzięki różnicy temperatur), albo jednokierunkowość jest złudzeniem i sporadyczne duże naruszenia rekompensują częste małe nienaruszenia (zapadka Browna będzie podlegać wewnętrznym siłom Browna i dlatego czasem obróci się w niewłaściwą stronę).
Pływalność jest kolejnym często niezrozumiałym zjawiskiem. Niektóre z proponowanych perpetuum mobile pomijają fakt, że zepchnięcie objętości powietrza w dół w cieczy wymaga takiej samej pracy, jak podniesienie odpowiadającej jej objętości cieczy w górę wbrew grawitacji. Tego typu maszyny mogą składać się z dwóch komór z tłokami oraz mechanizmu wyciskającego powietrze z górnej komory do dolnej, która następnie staje się wyporna i unosi się do góry. Mechanizm wyciskający w tych konstrukcjach nie byłby w stanie wykonać wystarczająco dużo pracy, aby przesunąć powietrze w dół, lub nie pozostawiłby nadmiaru pracy dostępnej do wydobycia.