Проблема вечного двигателя

Проблема «вечного двигателя

 

 

 

                                         Содержание

 

 

 

 

1. Введение.
2. Основная часть:
1. Вечный двигатель первого рода.
2. Вечный двигатель второго рода.
3. Вечный двигатель «третьего рода».
4. Идеи «вечного двигателя».
5. Законы, обуславливающие невозможность вечного двигателя.
3. Заключение.
4. Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        ВВЕДЕНИЕ

 

      Можно  ли построить двигатель, который  будет работать вечно или, еще  лучше, который будет неиссякаемым  источником энергии?

Свойственное человеческой натуре упрямство не дает людям смириться  с непреложностью законов природы. Самым ярким свидетельством этому  служит настойчивая вера в то, что  можно построить вечный двигатель  — двигатель, который будет работать бесконечно долгое время без какой-либо внешней помощи.

       Проблема вечного  движения волновала человечество  с незапамятных времен. Многие  выдающиеся умы посвятили огромные  усилия созданию механизма, который  бы действовал непрерывно, без  притока энергии извне, и производил при этом какую-нибудь практически полезную работу. Желание во что бы то ни стало изготовить вечный двигатель (perpetuum mobile) было обусловлено как экономическими, так и научными, даже философскими причинами.

    Его изобретение разрушило  бы фундаментальный постулат экономики о «неограниченности человеческих потребностей и ограниченности ресурсов, необходимых для их удовлетворения, поскольку такой механизм никаких ресурсов бы не расходовал, помимо тех материалов и сил, которые так же непрерывно изменяются и совершенствуются без притока видимой нам внешней энергии. Модель бессмертной природы, созданная человеческим разумом, благодаря которому, как известно, «природа познает самое себя».

 

Науку же попытки добиться perpetuum mobile обогатили фундаментальными теориями, которые, собственно, и опровергли его возможность, и теперь эмпирические версии такого неработающего механизма служат их наглядным подтверждением. В настоящее работе мы приведем краткий обзор истории таких попыток и обоснуем не только их практическую несостоятельность, но и важную роль в развитии науки.

 

                         Вечный двигатель первого рода.

 

       Вечный двигатель,  перпетуум-мобиле (латинское perpetuum mobile переводится как вечное движение) – воображаемая машина, которая, раз будучи пущена в ход, совершала бы работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергии извне. Возможность работы такой машины неограниченное время означала бы получение энергии из ничего.

       Идея вечного  двигателя возникла в Европе, по-видимому, в XIII веке (хотя существуют свидетельства, что первый проект вечного двигателя предложил индиец Бхаскара в XII веке). До этого проекты вечных двигателей неизвестны. Их не было у греков и римлян, которые разработали множество эффективных механизмов и заложили основы научных подходов к изучению природы. Учёные предполагают, что дешёвая и практически неограниченная рабочая сила в виде рабов тормозила в античности разработку дешёвых источников энергии.

       Почему люди  так упорно хотели построить  вечный двигатель? В этом нет ничего удивительного. В XII – XIII веках начались крестовые походы и европейское общество пришло в движение.Стало быстрее развиваться ремесло и совершенствоваться машины, приводящие в движение механизмы. В основном это были водяные колёса и колёса, приводимые в движение животными (лошадьми, мулами, быками, ходившими по кругу). Вот и возникла идея придумать эффективную машину, приводимую в движение более дешёвой энергией. Если энергия берётся из ничего, то она ничего и не стоит, и это крайний случай дешевизны – даром.

       Ещё популярнее  идея вечного двигателя стала  в XVI – XVII веках, в эпоху перехода к машинному производству. Число известных проектов вечного двигателя перевалило за тысячу. Создать вечный двигатель мечтали не только малообразовнные ремесленники, но и некоторые крупные учёные своего времени, так как тогда не существовало принципиального научного запрета на создание такого устройства.

       Уже в XV – XVII веках прозорливые естествоиспытатели, такие как Леонардо да Винчи, Джироламо Кардано, Симон Стевин, Галилео Галилей сформулировали принцип: «Создать вечный двигатель невозможно». Симон Стевин был первым, кто на основе этого принципа вывел закон равновесия сил на наклонной плоскости, что привело его в конце концов к открытию закона сложения сил по правилу треугольника (сложение векторов).

       К середине  XVIII века, после многовековых попыток создать вечный двигатель, большинство учёных стали считать, что сделать это невозможно. Это был просто экспериментальный факт.

       С 1775 года Французская академия наук отказалась рассматривать проекты вечного двигателя, хотя и в это время у французских академиков не было твёрдых научных оснований принципиально отрицать возможность черпать энергию из ничего.

       Невозможность  получения дополнительной работы из ничего была твёрдо обоснована лишь с созданием и утверждением, как всеобщего и одного из самых фундаментальных законов природы «закона сохранения энергии».

       Сначала  Готфрид Лейбниц в 1686 году сформулировал  закон сохранения механической энергии. А закон сохранения энергии, как всеобщий закон природы сформулировали независимо друг от друга Юлиус Майер (1845г.), Джеймс Джоуль (1843-1850г.г.) и Герман Гельмгольц (1847г.).

       Врач  Майер и физиолог Гельмгольц  сделали последний важный шаг. Они установили, что закон сохранения энергии справедлив для животных и растений. До этого существовало понятие «живая сила» и считалось, что для животных и растений законы физики могут не выполняться. Таким образом, закон сохранения энергии был первым принципом, установленным для всей познанной Вселенной.

       Последним  штрихом в обобщении закона  сохранения энергии стала специальная  теория относительности Альберта  Эйнштейна (1905г.). Он показал, что  закон сохранения массы (был  такой закон) – часть закона сохранения энергии. Энергия и масса эквивалентны по формуле:

                                                Е = mс²

где с – скорость света.

 

 

Вечный двигатель  второго рода

 

       В XVIII веке широкое распространение получили паровые машины и механизмы. Часть физики, которая пыталась объяснить их работу и построить общие закономерности создания тепловых машин, стала называться термодинамикой. Закон сохранения энергии стали также именовать первым началом термодинамики. Вечные двигатели, принципы работы которых противоречили первому началу термодинамики, стали называть вечными двигателями первого рода.

       Но  существовала и другая общая  идея вечного двигателя, которая  не противоречила закону сохранения  энергии. Было известно, что работа в двигателях совершается, когда горячее тело отдаёт тепло газу или пару, и пар совершает работу, например, двигая поршень. Огромная тепловая энергия сосредоточена, допустим, в океане. Если отбирать у океана энергию за счёт понижения его температуры, то этой энергии хватит на то, чтобы, например, поддержать работу корабельного двигателя или создавать в море электростанции.

       Однако  оказалось, что никак не удастся  сделать так, чтобы энергия  от более холодного тела перешла  к более горячему. А ведь для создания вечного двигателя необходимо, чтобы при этом ещё и совершалась работа.

       В  результате развития термодинамики,  основываясь на работах Сади  Карно, Рудольф Клаузиус показал,  что невозможен процесс, при  котором теплота переходила бы  самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым. При этом 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.

       Уильям  Томпсон (лорд Кельвин) сформулировал принцип невозможности вечного двигателя второго рода (1851г.), поскольку в природе невозможны процессы, единственным следствием которых была бы механическая работа, произведённая за счёт охлаждения теплового резервуара.

       Когда была создана статистическая термодинамика, которая основывалась на молекулярных представлениях, второе начало термодинамики нашло своё объяснение. Оказалось, что переход тепла от холодного тела к более горячему в принципе возможен, но это ничтожно маловероятное событие. А в природе реализуются наиболее вероятные события.

 

                            Вечный двигатель «третьего рода»

 

       Научного термина «вечный двигатель третьего рода» не существует (это шутка), но существуют изобретатели, которые хотят извлечь энергию из «ничего». Или почти из ничего. Теперь «ничего» получило название «физический вакуум», и они хотят извлекать неограниченное количество энергии из «физического вакуума». Их проекты по простоте и наивности не уступают проектам их предшественников, живших столетия назад. Новые вечные двигатели получили название «вакуумно-энергетические установки»; изобретатели сообщают фантастические КПД подобных двигателей – 400%, 3000%! Но эти инженеры хотя бы добросовестно заблуждаются. К сожалению, существует другая категория создателей вечных двигателей. Это – мистификаторы, хитрецы и просто жулики. Приведём только два примера.

 

 

 

Леонардо да Винчи – талантливый инженер  и мистификатор

       Леонардо  да Винчи был не только великим  художником, но и инженером, устроителем праздников и увеселительных аттракционов. Он тоже несколько лет упорно пытался создать вечный двигатель и пришёл к выводу, что это невозможно. Вот его слова, очень важные для понимания проблемы вечного двигателя, сказанные в конце XV века: «Поиск конструкции вечного колеса – источника вечного движения – можно назвать одним из наиболее бессмысленных заблуждений человека. В течение веков все, кто имел дело с гидравликой, военными машинами и прочим, тратили много времени и денег на поиски вечного двигателя. Но со всеми ними случалось то же, что  с искателями золота (алхимиками): всегда находилась какая-нибудь мелочь, которая мешала успеху. Моя небольшая работа принесёт им пользу: им не придётся больше спасаться бегством от королей и правителей, не выполнив обещания».

       Несмотря  на такое ясное понимание невозможности  создать вечный двигатель, в  записных книжках Леонардо есть  строки, которые говорят, что он  был готов представить публике  якобы « работающую модель»  вечного двигателя. В комментарии к рисунку мнимого вечного двигателя Леонардо написал: «Сделай модель под большим секретом и широко объяви о её демонстрации». Этот вечный двигатель был основан на законе Архимеда и, зная, что двигатель работать не будет, Леонардо намеревался организовать незаметный поток «живой воды» (то есть приводить в движение двигатель незаметным потоком воды). Историки строят догадки, почему Леонардо да Винчи прибегал к мистификации, но факт остаётся фактом. Даже крупными естествоиспытателями часто движут не научные мотивы. Что же говорить об обычных инженерах, которые беззаветно веря своей догадке, втягиваются в опасную игру с сильными мира сего, пытаясь получить от них средства на разработку своих, в данном случае нереальных, устройств. Часто они должны «спасаться бегством от королей и правителей, не выполнив обещания». Вот история с Петром I, который чуть не купил за огромные деньги якобы вечный двигатель.

Орфиреус

       Пётр I был выдающимся организатором промышленного производства и кораблестроения. Он вникал в технические детали большинства проектов и, естественно, его тоже волновала проблема вечного двигателя. В 1715-1722 годах Пётр потратил много усилий, чтобы купить вечный двигатель доктора Орфиреуса. «Самодвижущееся колесо» Орфиреуса было, вероятно, самой успешной мистификацией вечного двигателя. Изобретатель соглашался продать свою машину лишь за 100 тысяч ефимков (талеров), что составляло тогда огромную сумму. В начале 1725 года царь хотел лично осмотреть вечный двигатель в Германии, но вскоре Пётр умер.

       Вот  типичный путь успешного инженера, ставшего, хочется верить, в силу  обстоятельств, жуликом. Орфиреус  родился в Германии в 1680 году, изучал богословие, медицину, живопись  и, наконец, занялся изобретением  вечного двигателя. До смерти  он жил на приличные доходы, которые получал,

показывая свою машину сначала  на ярмарках, а потом у могущественных покровителей, таких как польский король и ландграф Гессен-Кассельский. Ландграф Гессен-Кассельский устраивал  серьезные испытания вечному  двигателю Орфиреуса. Двигатель закрыли в комнате и запустили, а затем комнату заперли, опечатали и поставили охрану. Через две недели комнату вскрыли, а колесо все еще вращалось «с неослабевающей быстротой». Тогда ландграф устроил еще одно испытание. Машину запустили снова и теперь в течение сорока дней в комнату никто не входил. После вскрытия комнаты машина продолжала работать. Изобретатель-жулик получил от ландграфа бумагу, где говорилось, что «вечный двигатель» делает 50 оборотов в минуту, способен поднять 16 кг на высоту 1,5 м, а также может приводить в действие кузнечный мех и точильный станок. Поэтому Пётр Первый и заинтересовался чудесной машиной.         Но не все верили Орфиреусу.  Тому, кто уличит его в жульничестве, предлагалась очень крупная премия  в 1000 марок. Но, как это часто бывает, Орфиреус стал жертвой домашней склоки. Он поссорился с женой и ее служанкой, которые знали тайну «вечного двигателя». Оказывается, «вечный двигатель» действительно приводился в движение людьми, незаметно дергавшими за тонкий шнурок. Этими людьми были брат изобретателя и его служанка. Орфиреус был действительно очень хорошим изобретателем и рискованным человеком, если смог прятать в закрытой комнате ландграфа Гессен-Кассельского этих людей несколько недель. Ведь они должны были не только что-то есть, но и просто ходить в туалет. Характерно, что Орфиреус упорно утверждал, что жена и прислуга донесли на него по злобе: «весь свет наполнен злыми людьми, которым верить весьма невозможно».         Посланец Петра Первого библиотекарь  и ученый Шумахер, который занимался подготовкой сделки с Орфиреусом, писал Петру, что французские и английские ученые «ни во что почитают все оные перепетуи мобилес и сказывают, что оное против принципиев математических». Это говорит о том, что уже за сто тридцать лет до формулировки закона сохранения энергии большинство ученых были убеждены, что вечный двигатель создать невозможно.