Идея создания вечного двигателя, то есть устройства способного совершать большую работу, чем сообщенная ему энергия, волновало человечество с давних времен. Начиная с 1775 года, Парижская Академия наук не рассматривает проекты, связанные с вечным двигателем из-за очевидной невозможности последнего. Тем не менее, бесчисленные попытки создать подобный двигатель повлияли на развитие инженерных наук и фундаментальные разделы физики. Некоторые попытки достойны отдельного упоминания.

Ничто не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда

Уже в античности философы собрали воедино свои наблюдения в принципе — «ничто не возникает ниоткуда и не исчезает в никуда». Все наблюдаемые процессы в природе — это круговорот причин и следствий. С тех пор человечество углубило понимание, как устроена материя, как она взаимодействует. Результатом этих изысканий стал универсальный принцип сохранения (он верен для физических величин — энергии, импульса, массы, электрического заряда):

“В замкнутой системе тел полная энергия не изменяется при любых взаимодействиях внутри этой системы тел”.

Мы никогда не наблюдали процессов, противоречащих это лежит то, как устроена наша вселенная — однородность времени и изотропности пространства (пространство называется изотропным, если поворот системы отчета на произвольный угол не приводит к изменению результатов измерений).

Если бы вечный двигатель существовал, он должен был бы совершать работу, большую, чем затраченная энергия. Это противоречит принципу сохранения энергии — замкнутая система, в данном случае вечный двигатель и источник энергии, не могла бы порождать новую энергию.

Как правило, большинство «изобретенных» вечных двигателей нарушали один из следующих пунктов: система не была замкнута (система все-таки получала энергию извне) или убывание энергии шло с очень маленькими порциями (например, маятники способные колебаться годами). Невозможность реализовать вечный двигатель, как некоторое механическое устройство стало общепринятым. Но концепция создания подобного двигателя каждый раз пересматривается с новыми открытиями.

В 1824 году молодой французский инженер Сади Карно опубликовал свои научные работы, в будущем они стали основой для начал термодинамики. Это пример редких случаев, когда инженер заложил основу физической теории, а не наоборот. Карно описал закон сохранения энергии в терминах: газов, тепла и работы. Именно этими параметрами характеризуется чудо инженерной мысли того времени — паровой двигатель.

Первый закон термодинамики:
тепло, подведенное к газу, расходуется на работу, совершаемую газом, и на изменение его внутренней энергии

Второй закон термодинамики:
невозможен процесс, единственным результатом которого является передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому

Первый закон термодинамики: тепло, подведенное к газу, расходуется на работу, совершаемую газом, и на изменение его внутренней энергии.

Q (энергия) = А (работа) + ∆U (изменение внутренней энергии)

Приведенный закон есть еще одна форма закона сохранения энергии.

Второй закон термодинамики: невозможен процесс, единственным результатом которого является передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому.

Вы можете возразить, ведь есть холодильные машины. Но в холодильнике охлаждение не является единственным результатом процесса. Происходит изменения в работе внешнего источника энергии.

Обратите внимание: второй закон термодинамики не противоречит закону сохранения энергии. Он накладывает ограничения на то, как эта энергия может распределяться (от нагретого к холодному и никак иначе).

Нас интересуют прямое следствие первого и второго закона термодинамики, который формулируется очень лаконично:

«Вечный двигатель первого и второго рода невозможен».

Вечный двигатель первого рода: устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов.

Вечный двигатель второго рода: машина, полностью переводящая тепло в работу.

Вечный двигатель первого рода отличается от второго только источником энергии. В первом случае, двигатель сам генерирует необходимую энергию для работы, в результате этой же работы. Во втором, двигателю необходим внешний источник «питания». На первый взгляд двигатель второго рода менее интересен, но с практической точки зрения эти двигатели могут быть одинаково полезными. Именно двигатель второго рода не давал покоя ученым. Идея того, что нечто может само по себе работать бесконечно — фантастична, но создать машину способную полностью переводить тепло в работу кажется не таким безумием.

В 1827 году Роберт Броун при помощи микроскопа, собранного своими рукам, обнаружил, что газ состоит из хаотично движущихся частиц. Некоторые из них перемещались очень быстро, а некоторые медленнее. Подобный беспорядочный вид движения в будущем назовут его именем. Позже в 1888 году Луи Жорж Гюи доказал, что движение этих частиц зависит от температуры (чем быстрее эти частицы движутся, тем выше температура). Такие наблюдения породили сомнение у Луи Жорж Гюи относительно невозможности вечного двигателя второго рода, ведь согласно наблюдениям, получалось что все тепло подводимое к газу уходило на работу (увеличение кинетической энергии атомов). Нельзя ли придумать хитрый механизм, который бы преобразовывал энергию в работу? Эта надежда дала толчок для новых поисков вечного двигателя.

В 1867 году Джеймс Максвелл предложил мысленный эксперимент (который в 2010 ученные из университетов Токио и Тюо смогут воплотить в реальность) целью которого было показать несостоятельность второго начала термодинамики. В дальнейшем один из участников эксперимента получит название — «Демон Максвелла». Давайте опишем этот эксперимент.

Представим, что сосуд с газом, разделен непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке есть маленькое отверстие, где сидит некое существо, назовем его Демоном Максвелла, который работает следующим образом: если к нему подлетает быстрая молекула, он ее пропускает из левой части в правую, а если медленная, то только из правой в левую.

Через некоторое время, в одной камере окажутся «быстрые» молекулы, а в другой «медленные». Температура есть среднеквадратичная скорость движения молекулы в газе, следовательно, в одной камере будет горячий газ, а в другой холодный. В результате работы Демона произошло следующее, если в начале эксперимента температура в обеих секциях сосуда была Т ₀ , то после эксперимента в правой части сосуда температура будет Т₁ >Т₀, а в левой Т₂ <Т₀. То есть произошла весьма интересная вещь: холодное тело нагрело горячее (было Т₀ стало Т₁>Т₀), что вообще противоречит второму закону термодинамики. Обратите внимание, что Демон не подводил и не отводил тепла из системы. На практике это выглядело бы так: левую сторону изначального сосуда мы бы просто открыли (иначе говоря, сделали бы ее равной объему Земной атмосферы), а правая бы нагревалась бы до чудовищных температур. В чем же разгадка? Неужели второй закон термодинамики несостоятелен?

Парадокс разрешается, если обратить внимание на роль Демона Максвелла. Несмотря на то, что Демон не участвует в тепловых взаимодействиях, зададимся вопросом: за счет чего он работает? Откуда он должен брать энергию и сколько ее должно быть?

В 1 см ³ идеального газа при нормальных условиях содержится 2.3 х 10⁽¹⁹⁾ молекул. Наш Демон должен мгновенно отслеживать траекторию (которая складывается из миллиардов и миллиардов соударений этих молекул). Для роли нашего Демона единственным реалистичным кандидатом является супер-компьютер чудовищной мощности. Но работа этого компьютера будет требовать такой же чудовищной энергии. Тем самым мы получаем устройство схожее работе холодильника. Даже если бы мы смогли собрать подобного демона, скорее всего потратили больше энергии, чем его полезная работа. Тем самым мы пришли к выводу о невозможности создания вечного двигателя.

Одним из важных следствий рассуждений касательно второго закона термодинамики является понятие обратимых процессов. Мы знаем, что тепло переходит от более горячего тела к менее горячему. Давайте заснимем этот процесс на пленку (например, как свеча растапливает кусок льда). При просмотре этой записи ничего удивительного мы не заметим. Если посмотреть ее в обратной «перемотке» мы увидим как лед, образуясь, заставляет гореть ярче свечу, то есть тепло переходит от холодного объекта к горячему. Это противоречит второму закону термодинамики. Именно этот закон объясняет, что время может идти только в одном направлении, от прошлого в будущее. Это в свою очередь, делает путешествие в прошлое невозможным.

Бесчисленные попытки создать вечный двигатель повлияли на развитие инженерных наук и фундаментальные разделы физики