ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Можно ли построить вечный двигатель?.

Проблема Perpetuum mobile

Человеку всегда хотелось построить машину, работа которой превышала бы ту энергию, которая к ней подводится. Если бы это было сделано, проблема вечного движения была бы решена. Машина, которая осуществляла бы такое движение – Perpetuum mobile («перпетуум-мобиле»), – была несбыточной мечтой многих изобретателей. Даже сейчас находятся люди, которые вопреки законам природы пытаются создать такое устройство.

Чтобы вечный двигатель мог работать, он должен сам себя обеспечивать энергией. Иначе говоря, он должен производить достаточное ее количество, не имея никакого внешнего источника поступления энергии.

Представьте, что нужно рассчитать количество энергии, необходимое для осуществления того или иного вида работы, будь то движение океанского лайнера или забивание гвоздей, или полет со сверхзвуковой скоростью. В любом случае без учета потерь количество затраченной энергии всегда должно равняться количеству выработанной энергии или той, что выделилась в результате совершения работы.

Энергия, которую не совсем точно называют потерянной, на самом деле не исчезает. Просто она переходит в другую форму, при этом исключается возможность ее дальнейшего превращения в механическую или электрическую энергию. Так происходит потому, что в результате вызванного трением нагрева часть энергии выделяется в виде тепла. И это справедливо для потерь любого вида энергии, потому что она почти всегда превращается именно в тепло.

Эту же мысль можно выразить и другими словами: во всех случаях общая конечная сумма энергии равна ее общей начальной сумме. Энергия не возникает и не исчезает, но переходит в другую форму, иногда малополезную или совсем бесполезную.

Например, тепло, которое выделяется в двигателе внутреннего сгорания, – является ненужным, но неизбежным продуктом превращения энергии. Его можно использовать, скажем, для обогрева салона автомобиля, но воспользуемся мы этим теплом или нет – все равно часть работы, осуществленной двигателем, тратиться на тепловые потери.

Вечного ничего нет, и долговечного тоже немного.

Сенека

Все, о чем говорилось выше, и представляет собой суть важнейшего закона природы – закона сохранения энергии, или первого начала термодинамики.

Вечного ничего нет, и долговечного тоже немного.

Если повториться, то вечный двигатель должен выполнять полезную работу, не имея никаких внешних источников энергии. Проще говоря, в нем не должно сжигаться топливо и к нему не нужно прилагать механических усилий. Существует ряд свидетельств, что именно поиски такой нереализованной машины заложили фундамент механики как науки.

Бесполезность поисков вечного движения признавалась еще до того, как этот закон стал достоянием науки. Однако это мнение основывалось не на некоторых общих положениях, а на анализе принципа действия отдельных «машин вечного движения». Тщательный анализ очередного проекта всегда выявлял какие-либо ошибки, из-за которых двигатель не мог работать, а претензии изобретателя оказывались бессильны.


i 157

Хитрости «изобретателей» вечного двигателя



В прошлом людям казалось, что наиболее доступным источником энергии для работы вечных двигателей является вода. Наверное, такая мысль возникла из-за того, что вода, окружающая людей, казалась им бесплатной. Это обстоятельство и вводило в заблуждение, например, мельника. Однако владельцы мельниц, на которых в период засух уменьшался напор воды, не рассматривали воду как бесплатный источник энергии. Они постоянно пытались заставить воду подниматься вверх и снова совершать работу.

Позже умудренные опытом инженеры стали накапливать энергию, сооружая плотины со шлюзовыми воротами и создавая в них запасы воды для того, чтобы работа мельниц не прерывалась в засушливые периоды, когда естественный поток воды прекращался.

Инженерам Позднего средневековья и Возрождения был известен по крайней мере один достаточно надежный способ подъема воды на определенную высоту: если конец трубки, скрученный наподобие резьбы винта, опустить в воду, то она начнет подниматься вверх по трубке до тех пор, пока последняя будет вращаться. Это странное, однако идеально работающее изобретение вошло в историю техники под названием архимедового винта. Теперь мы понимаем, что трубка архимедового винта должна была вращаться с помощью какой-то внешней силы.

Этого, однако, не знали люди Средневековья, с удивлением задававшие вопрос: «Что может быть проще, чем соединить такой винт с водяным колесом мельницы? Ведь тогда мельница будет вращать винт, а винт приводить в движение мельницу!»

Мельница замкнутого цикла была предложена Робертом Флуддом в 1618 г. Для ее работы не нужен непрерывный поток воды. Только через два столетия после смерти Роберта Флудда стало понятно, что закон сохранения энергии исключает возможность существования такого устройства!

Вера в винт Архимеда как в средство для решения проблемы вечного движения была разрушена Уилкинсом, епископом Честерским. Решив заняться разработкой и описанием машины вечного движения, он выполнил свое намерение очень тщательно. В разделе его книги, посвященной «водяным вечным двигателям», Уилкинс подробно говорит о преимуществах архимедового винта перед водяным насосом, а затем продолжает:

«Если рассматривать эти механизмы совместно, то может показаться, что построить вечный двигатель не так уж и сложно. Для этого достаточно иметь водяное колесо, по которому бы опускался, приводя его в действие, ранее поднятый вверх поток воды. Это колесо вращало бы винт, поднимавший такое количество воды, которое было необходимо для движения всей машины в целом. Движение это было бы непрерывным, поскольку количество воды, выносимое вверх вращающимся винтом, равняется количеству воды, падающему по колесу вниз. Если же окажется, что действия воды на колесо недостаточно для приведения в движение архимедового винта, то почему бы не использовать несколько колес: два, три – словом, столько, сколько позволяет размер всей машины…»

Уилкинс дает описание действия такого устройства и результаты собственных размышлений:

«Однако после целого ряда попыток я пришел к выводу о полной невозможности своего замысла. Устройство не будет работать по двум причинам. Во-первых, вода, которая поднимается наверх, не образует сколько-нибудь значительного потока, устремляющегося затем вниз. Во-вторых, этот поток, даже в виде каскада, не способен вращать винт…»

Таким образом, епископ Уилкинс не только задумал весьма оригинальный «вечный механизм», но и взял на себя обязанность построить модель устройства и испытать ее. В результате этого исследования Уилкинс убедился в полной непригодности механизма и четко уяснил для себя причины несостоятельности проекта.

История, как известно, повторяется, и то же самое происходит, вероятно, и с изобретениями. В 1648 г. епископ Уилкинс отверг идею «колесно-насосного» вечного двигателя, а более чем через двести лет модифицированный проект того же устройства с искренним энтузиазмом первооткрывателя был вновь предложен, на этот раз каким-то читателем журнала «English mechanics».

Тем же, кто убежден, что нет вещей более неосуществимых, чем просто неосуществимых, Артур Орд-Хьюм напоминает поговорку времен Второй мировой войны: «Невозможное мы делаем мгновенно, а на чудо нужно больше времени…»

«Вечный двигатель» времен Петра I

Сохранилась переписка, которую вел в 1715–1722 гг. русский царь Петр I по поводу приобретения в Германии вечного двигателя, изобретенного неким доктором Орфиреусом. Изобретатель, прославившийся на всю Германию своим «самодвижущимся колесом», соглашался продать царю эту машину лишь за огромную сумму.

В январе 1725 г. Петр I собирался в Германию, чтобы лично осмотреть «вечный двигатель», о котором так много говорили, но смерть помешала царю осуществить его намерение.

Кто же был этот таинственный доктор Орфиреус и что представляла собой его машина?

Настоящая фамилия Орфиреуса была Беслер. Он родился в Германии в 1680 г., изучал богословие, медицину, живопись и, в конце концов, занялся изобретением «вечного» двигателя. Из многих тысяч таких изобретателей Орфиреус – самый знаменитый и, наверное, самый счастливый. До конца своих дней (умер в 1745 г.) он жил в достатке на доходы, которые получал, демонстрируя свою машину.

Изначально наблюдения были достаточно убедительными только для тех, кто умеет думать и хочет знать истину.

Г. Галилей

Слава о чудесном изобретении, которое «ученый доктор» показывал поначалу на ярмарках, быстро покатилась по всей Германии, и Орфиреус вскоре приобрел могущественных покровителей. Им заинтересовался польский король, потом ландграф Гессен-Кассельский. Ландграф предоставил изобретателю свой замок и всячески испытывал машину.

Так, 12 ноября 1717 г., двигатель, находившийся в отдельной комнате, был приведен в действие, затем комната была заперта на замок, опечатана и оставлена под надежной охраной двух гренадеров. Четырнадцать дней никто не смел даже приближаться к комнате, где вращалось таинственное колесо. Только 26 ноября печати были сняты; ландграф вошел в помещение. Колесо все еще вращалось «с неослабевающей скоростью»!.. Машину остановили, тщательно осмотрели, затем опять запустили. В течение сорока дней помещение снова оставалось опечатанным; сорок суток караулили у дверей гренадеры. И когда 4 января 1718 г. печати были сняты, экспертная комиссия нашла колесо в движении!

Ландграф и на этом не успокоился: провели третий опыт – двигатель запечатали на целых два месяца. И все же по истечении этого срока обнаружили, что он работает!

Изобретатель получил от восхищенного ландграфа официальное удостоверение в том, что его «вечный двигатель» делает 50 оборотов в минуту, способен поднять 16 кг на высоту 1,5 м, а также может приводить в действие кузнечный и точильный станки. С этим удостоверением Орфиреус и путешествовал по Европе. Наверное, он получал большой доход, если соглашался отдать свою машину Петру I не менее чем за 100 000 рублей.

Слух о таком чрезвычайно удивительном изобретении доктора Орфиреуса быстро разнесся по Европе, выйдя далеко за границы Германии. Дошел он и до Петра I, чрезвычайно заинтересовав царя.

Иллюзия – первая из всех утех…

Вольтер

Петр I обратил внимание на колесо Орфиреуса еще в 1715 г., во время своего пребывания за границей, и тогда же поручил А. И. Остерману, известному дипломату, познакомиться с этим изобретением поближе. Остерман не замедлил прислать подробный доклад о двигателе, хотя самой машины не видел. Петр I намеревался даже пригласить Орфиреуса как выдающегося изобретателя к себе на службу и уже поручил узнать у Христиана Вольфа, известного философа того времени (учителя Ломоносова), какого он о нем мнения.

Знаменитый изобретатель отовсюду получал выгодные предложения. Великие мира сего осыпали его высокими милостями; поэты слагали оды и гимны в честь его чудесного колеса. Но были и недоброжелатели, подозревавшие обман. Находились смельчаки, открыто обвиняющие Орфиреуса в мошенничестве; предлагалась премия в 1000 марок тому, кто разоблачит этот обман.

Тонкое плутовство было раскрыто случайно только потому, что ученый доктор… поссорился со своей женой и служанкой, которые знали его тайну. Выяснилось, что «вечный двигатель» действительно приводили в движение люди из тайника, незаметно дергая за тонкий шнурок. Этими людьми были брат изобретателя и его служанка!..

Разоблаченный изобретатель не хотел признаваться в своем поражении. Он упорно утверждал до самой смерти, что жена и прислуга донесли на него по злобе. Но доверие к нему было подорвано. Недаром он много раз говорил посланцу Петр I, Шумахеру, о людском злонравии и о том, что «весь мир наполнен злыми людьми, которым верить нельзя».

В те времена в Германии ходила слава об еще одном «вечном двигателе» некоего Гертнера. Шумахер писал Петру I об этой машине следующее: «Господина Гертнера Perpetuum mobile, которую я в Дрездене видел, состоит из холста, песком засыпанного, и в образе точильного камня сделанной машины, которая назад и вперед сама от себя движется, но, по словам господина инвертора (изобретателя), не может весьма большой сделаться».

Без сомнения, и этот двигатель не достигал своей цели и в лучшем случае представлял собой замысловатый механизм с искусно спрятанным, отнюдь не «вечным», живым двигателем.

Прав был Шумахер, когда писал Петру I, что французские и английские ученые «ни во что ставят все оные перпетуум мобилес и сказывают, что оное против принципов математических».

Трагедия открывателя великого закона

Как отмечалось ранее, научное объяснение невозможности создания вечного двигателя появилось после открытия закона сохранения и превращения энергии – первого закона термодинамики. Это открытие связывают с именем отнюдь не физика, а врача, проводившего физические исследования ради собственного интереса. Это Юлиус Роберт Майер (1814–1878) – немецкий врач и естествоиспытатель.

Родился Майер в 1814 г. в Хейльбронне, в Баварии. Рано проявив интерес к научным исследованиям, он решил посвятить себя медицине. В 1832 г. Майер поступил в Тюбингенский университет, где только один семестр изучал физику. На протяжении всей жизни Майер путал массу и вес, не понимал, что такое вектор, и испытывал ужас от любого математического вычисления. И тем не менее, именно ему мы обязаны первой формулировкой закона сохранения энергии.


i 158

Юлиус Роберт Майер



В 1838 г. Майер получил степень доктора медицины. В этом же году он отплыл в качестве корабельного врача на торговом судне, направлявшемся на Яву. Во время путешествия Майер сделал открытие, перевернувшее всю его жизнь.

Работая судовым врачом, Майер многократно делал матросам кровопускание (один из распространенных тогда способов лечения).

Все люди имеют глаза, но лишь немногие имеют проницательность.

М. Макиавелли

Он заметил, что венозная кровь матросов была намного ярче, чем кровь тех пациентов, которых он лечил в Германии. Майер предположил, что такой цвет крови связан с меньшим окислением поглощенной пищи, в результате чего вырабатывается меньше теплоты, ибо в тропиках потребность в ней меньше, чем в северных странах.

Это заставило его задуматься над тем, как человеческое тело получает тепло от пищи и как в этом процессе происходит трансформация энергии.

С 1841 г. и до самой смерти Майер практиковал в Хейльбронне, став главным хирургом города. В свободное время он занимался экспериментами и «боролся» с трудными теоретическими понятиями, чтобы сформулировать замеченные закономерности. Он так плохо знал физику, что его статьи были отвергнуты научными журналами как некомпетентные, и ему пришлось публиковать их за собственные деньги.

В 1841 г. Майер послал издателю журнала «Annalen der Physik» И. К. Поггендорфу свою первую статью «О количественном и качественном определение сил», содержавшую положение, близкое по смыслу к закону сохранения энергии (эта статья не была напечатана).

В статье, опубликованной в 1842 г. («Замечания о силах неживой природы»), Майер утверждает, что существует определеная количественная связь между высотой, с которой падает тело массой m, и количеством теплоты, выделившейся при ударе о землю. В современной терминологии это звучит так: потенциальная энергия mgh превращается в кинетическую энергию удара, а так как энергия сохраняется, эта кинетическая энергия переходит в теплоту. Майер также попытался вычислить механический эквивалент теплоты и получил значение 3,59 Дж/кал.

Конечно, это очень отличается от принятого сейчас значения 4,19 Дж/кал, но ошибка Майера была связана с неточностью данных, которые он использовал.

По представлениям Майера, движение, теплота, электричество и т. д. – качественно различные формы «сил» (так Майер называл энергию), которые превращаются друг в друга в одинаковых количественных соотношениях. Он рассмотрел также применение этого закона к процессам, происходящим в живых организмах, утверждая, что аккумулятором солнечной энергии на Земле являются растения; в других же организмах происходят лишь превращения веществ и «сил», но не их создание.

Годы с 1846 по 1850-й были очень трудными для Майера. В течение двух лет скончались двое из его троих детей. Местные ученые обвинили его в том, что он скорее сумасшедший философ, чем компетентный специалист. Наконец, его втянули в спор с выдающимся английским физиком Джеймсом Джоулем относительно приоритета на открытие в области взаимопревращений энергии. Кончилось все тем, что в 1850 г. он тяжело психически заболел.



Герман Гельмгольц



После выхода из больницы Майер уже прославился. Физики всего мира постоянно ссылались на его научные открытия, однако даже не были уверены, жив этот ученый или умер.

В последние годы жизни Майер все же приобрел какую-то славу. В 1871 г. он получил медаль Лондонского Королевского научного общества, позже его наградила Французская академия наук.

Он стал и почетным доктором своего родного университета в Тюбингене.

Юлиус Роберт Майер умер в 1878 г. от воспаления легких.

Открытие закона сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах (первый закон термодинамики) связывают с именами Ю. Г. Майера, Дж. Пр. Джоуля и Г. Гельмгольца. Сам Гельмгольц дал высокую оценку деятельности Майера: «Хотя никто не будет отрицать, что Джоуль сделал гораздо больше, чем Майер, и что в первых работах Майера много непонятного, я все-таки считаю, что на Майера следует смотреть как на человека, независимо и самостоятельно пришедшего к мысли, которая обусловила наибольший современный прогресс естественных наук. Заслуга его не становится меньше от того, что одновременно с ним другой ученый, в другой стране и на другом поприще сделал то же открытие и впоследствии развил его даже лучше».

Вечное движение и вечный двигатель с точки зрения термодинамики

С самого начала становления физики как науки ученые пытались описать все явления с механической точки зрения. Но впоследствии выяснилось, что такой подход ко многим явлениям просто невозможен.

Еще издавна было замечено, что нагреть тело можно путем осуществления механической работы или придания телу некоего количества теплоты, например при сгорании определенного топлива. Взаимосвязями этих процессов, выяснением общих особенностей поведения макроскопических (т. е. больших по сравнению с молекулами) тел занимается термодинамика.

Когда Дж. Джоуль исследовал изменения температуры воды, он пропускал ее через узкие трубки, помещал в сосуд с водой вращающиеся лопасти, нагревал ее с помощью электрического тока и др. Во всех экспериментах он получил примерно одно и то же значение механического эквивалента теплоты.

Умение задавать разумные вопросы есть важным и необходимым признаком ума и проницательности.

И. Кант

По Джоулю, все это является следствием принципа эквивалентности теплоты и механической работы, который он сформулировал в 1843 г. в книге «О тепловом эффекте магнитоэлектрики и механическом эффекте теплоты».

Позже стараниями немецких ученых Г. Гельмгольца и Г. Клаузиуса была получена та форма закона сохранения энергии, которая включала и механическую работу, и внутреннюю энергию. Именно на этот закон нужно опираться, рассматривая тот или иной «проект» очередного вечного двигателя.

Из этого закона следует, что работа, которую может осуществить тело, производится за счет внутренней энергии и подведенного к нему определенного количества теплоты. Если считать, что «вечный двигатель» извне никакого количества теплоты не получает, то работать он должен только за счет внутренней энергии. А это продолжаться вечно не может, потому что эта энергия все-таки когда-то иссякнет!..

Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его установлению. Майер начал с медицинских наблюдений и перешел к рассмотрению цепи энергетических преобразований – от космоса до живого организма. Джоуль экспериментально определял количественные соотношения теплоты и механической работы. Гельмгольц связал этот закон с исследованиями крупных механиков прошлого.

Борьба за признание этого закона была нелегкой, но она закончилась победой.

 

Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru