Вечный двигатель уже многие века не дает покоя ученым и инженерам. Еще бы, идея создать устройство, которое будет постоянно работать, не тратя при этом энергии, кажется очень заманчивой. Реально ли его создать, рассказывают ученые.

Что такое вечный двигатель?

Вечный двигатель или Perpetuum Mobile - это устройство воображаемое. Некоторые считают, что теоретически можно создать машину, которая будет бесконечно совершать работу без затрат каких-либо энергетических ресурсов. В то же время, постепенно ученые разочаровывались в этой идее и признавали, что от попыток создать такое устройство лучше отказаться, потому что они бессмысленны. Невозможность создать вечный двигатель постулируется как первое начало термодинамики. Но до сих пор идея вечного двигателя вызывает повышенный интерес.

Идеальный вечный двигатель должен проработать до окончания Большой заморозки (Big Freeze). Сторонники этой теории считают, что до скончания времени Вселенная будет расширяться с очень плавным ускорением. Этот процесс и называется Большой заморозкой, и когда он завершится, наступит конец всего. Когда это произойдет, точно не установлено, но у нас есть еще приблизительно 100 триллионов лет. Так вот, вечный двигатель должен работать как минимум столько же, чтобы считаться настоящим вечным двигателем.

Какими бывают вечные двигатели?

Perpetuum Mobile делятся на двигатели первого рода и второго рода. Двигатели первого рода могли бы функционировать без топлива — и вообще без энергетических затрат, которые возникают, например, при трении деталей механизма друг о друга. Двигатели второго рода могли бы извлекать тепло из более холодных окружающих тел и использовать эту энергию в работе.

Есть много проектов в Интернете, которые утверждают, что работают над конструкцией вечного двигателя. Однако если изучить эти проекты внимательно, становится понятно, что они все очень далеки от идеи вечного двигателя. Но если кому-то удастся сделать такое устройство, последствия будут ошеломляющими. Считается, что мы получим вечный источник энергии - бесплатной энергии.

К сожалению, согласно фундаментальным законам физики нашей Вселенной, создание вечного двигателя невозможно.

Почему создание вечного двигателя невозможно?

Вероятно, есть много людей, которые скажут «никогда не говори «никогда», особенно, если речь идет о науке». В какой-то степени это справедливо. Но если окажется, что вечный двигатель создать возможно, это перевернет физику, которую мы знаем. Окажется, что мы во всем были неправы и ни одно из наших предыдущих наблюдений не имеет никакого смысла.

Первый закон термодинамики -- закон сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не может быть ни создана, ни уничтожена - она просто переходит из одной формы в другую. Для того, чтобы держать механизм в постоянном движении, приложенная энергия должна остаться в этом механизме без каких-либо потерь. Ровно поэтому создание вечного двигателя невозможно.

Для того, чтобы построить вечный двигатель первого рода, мы должны выполнить несколько условий:

1. У машины не должно быть никаких «трущихся» частей, любые движущиеся части не должны касаться других частей, так как иначе между ними возникнет трение. Это трение в конечном счете приведет к тому, что машина начнет терять энергию. При соприкосновении частей возникает тепло, и именно это тепло и есть энергия, потерянная машиной. Вы скажете, что тогда нужно сделать устройство с гладкой поверхностью, чтобы не возникало трение. Но это невозможно, так как не бывает совершенно гладких объектов.
2. Машина должна работать в вакууме, без воздуха. Это исходит из первого условия. Эксплуатация машины в любом месте заставит ее терять энергию из-за трения между движущимися частями и воздуха. Хотя потери энергии из-за трения воздуха очень малы, для вечного двигателя это серьезная проблема. Если есть хотя бы минимальные потери энергии, машина начнет останавливается и в конце концов остановится совсем из-за этих потерь, даже если это займет очень много времени.
3. Машина не должна издавать никаких звуков. Звук также форма энергии, и если машина издает любой звук, это означает, что она также теряет энергию.

Двигатели второго рода, которые используют теплоту окружающих тел, не противоречат закону сохранения энергии. Однако эти хитрые конструкции бессильны против второго начала термодинамики: в замкнутой системе самопроизвольный переход теплоты от более холодных тел к горячим невозможен. Для этого необходим некий посредник. А для работы посредника необходима энергия из внешнего источника. Кроме того, в природе не существует по-настоящему обратимы

Но самое главное, создание вечного двигателя может оказаться бессмысленным. Люди рассчитывают, что если такое устройство будет сделано, мы получим бесплатный источник энергии. Но так ли это? На самом деле, мы получим ровно столько энергии, сколько направим в этот двигатель. Мы ведь помним, что согласно законам физики, которые пока не опровергнуты, энергия не может быть создана из ничего, она может быть только преобразована. Так что, выходит, вечный двигатель - это бесполезное устройство.

ПОЛНОЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОАНИЕ ВОЗМОЖНО ЛИШЬ
В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ВТОРОГО РОДА!
Вечных двигателей не бывает, это моё твёрдое убеждение. Но не существует и запрета на преобразование энергии с кпд близким к 100%, по крайней мере, на современном уровне, этого ещё, ни кто не доказал. В пользу сказанного, говорят практически достигнутые результаты по преобразованиям механической энергии в механическую же энергию, или же электромеханические преобразования. Достигнутые, в них, на сегодня кпд порядка 97-98% , давно должны были насторожить современных учёных и заставить их усомниться в, декларируемой Карно, ущербности термодинамических преобразований. Жалкая попытка научного обоснования получающегося низкого кпд, так называемых тепловых двигателей, теплородиста Карно, антинаучна в своих основах. Более того, в описании своего знаменитого цикла, Карно допускает, несколько, противоречащих самому себе выводов и противоречащих здравому смыслу умозаключений. Может быть причина низкого кпд, при термодинамических преобразованиях энергии, заключается в несовершенстве выбранного способа? Был ведь период времени, к примеру, когда лампы накаливания считались пределом совершенства, теперь же, когда мы чуточку разобрались в физике преобразования химической, электрической, электромагнитной энергии в эл.магнитное излучение видимого(и не только) спектра, появились лазеры, светодиоды, а эл.лампы накаливания уже сами стали полным отстоем в своей области. Может быть нам хотя бы усомниться во всемогуществе термодинамики? Ведь, до настоящего времени, человечество применяло, практически, лишь один единственный способ, способ перепада давлений. Он использован во всех двигателях от паровозного до ракетного, в доказательство сказанного могу предложить, сомневающимся, обеспечить подачу в рабочие камеры всех, известных двигателей, обыкновенного сжатого воздуха, с параметрами давлений рабочего тела и они будут работать. Но не будем забегать вперёд, рассмотрим всё по порядку. На сегодня мы имеем три основных интерпретации второго начала термодинамики:
1.Не возможен процесс, при котором теплота, переходила бы самопроизвольно, от тел более холодных к телам более нагретым. Р. Клаузиус(1850)
2.Невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводилась бы к совершению механической работы и соответствующему охлаждению теплового резервуара. У.Томпсон (Кельвин)(1851).
3.Энтропия как функция беспорядка, в замкнутых системах может только возрастать.

1.Рассмотрим первую формулировку. Начнем с понятия "теплота", как видим оно применено как имя существительное, с явно сопутствующими вещественными свойствами, всё как понимал и завещал Карно. С таким наследием мы переходим в третье тысячелетие???
Общепризнано атомно-молекулярное строение материи. Разработана и почитаема молекулярно-кинетическая теория. МКТ объясняет тепловые явления как проявление кинетической энергии хаотического движения молекул. НЕТ теплорода, тепла, теплоты. Нет и тепловой энергии вне молекул. Есть кинетическая энергия молекул как мера движения молекул. Материальны сами молекулы и их движение. Именно вещественность тепла, теплоты, провозглашенная Карно, требует определения направления ее перемещения. В МКТ превалирующая энергия молекул с высокотемпературных участков распространяется на низкотемпературные участки пространства. Теплообмена не существует, как и тепла. Не ясна цель моих высказываний? Воздух из поврежденной автомобильной камеры самопроизвольно распространится в окружающее пространство, но автомобильная камера не может самопроизвольно накачаться воздухом окружающей среды. И ни какого "пневмообмена". Это неоспоримо, это "ежу понятно". Заметьте, безо всякого "второго начала пневматики", а всё потому, что нам не затуманили голову "вещественным пневмородом", а дали физику возникновения давления газа без идеалистического искажения.
Превалирующая энергия молекул области пространства распространяется, рассеивается, в области ее относительного недостатка. НЕ теплообмен, ни в коем случае! Областям с недостатком отдавать нечего, они принимают избыток энергии молекул распространяющийся из областей с превалирующей энергией. Когда мы уясним, что нет теплоты, нет и теплообмена, станет явной никчемность этой формулировки второго начала. Но самое главное, мы только с этого момента освободимся от теплородного наследия термодинамики, вещественности теплоты.
Для этого не нужны знания "высоких материй", нужно лишь последовательно во всём разобраться, сопоставлением всех аргументов, раз и навсегда и никогда не возвращаясь к ранее отвергнутому. Как, например, поступили с геоцентрической моделью вселенной. У нас же получилось примерно так: "земля на трёх китах это глупость:.это вселенная, с её галактиками, она точно на трёх китах".
Резюме этому рассуждению: указанная формулировка второго начала, дана теплородистами для выхода из тупиковой ситуации, куда их завела вещественность тепла и теплоты. Для МКТ это "пятое колесо" и нужно не более чем выше описанный закон пневматики.

2. Вторую формулировку считают аналогом первой. Позвольте не согласиться. То, что нарушение "постулированного направления движения теплоты", позволило бы создать в.д. второго рода это логично. Но на каком основании мы утверждаем, что если не нарушить этого постулата то в.д. второго рода не создать, лично для меня огромная загадка. Предположим, что невозможность полного преобразования мы найдём в постулатах и цикле Карно. Пробежимся указочкой по строкам описания цикла Карно. Небольшое авторское пояснение, несмотря на то, что я в принципе не приемлю теплородистких, тепло вещественных позиций, а именно из них сложено всё описание, я тем не менее беру без каких либо изменений первоисточное изложение.
"Карно цикл, обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту)."
Теплота не вещественна, поэтому я бы предложил говорить о следующем. Термодинамическое преобразование энергии это процесс превращения кинетической энергии молекул рабочего тела(р.т.), в кинетическую энергию движущихся частей машины или наоборот.
"Р.т. последовательно находится в тепловом контакте с двумя тепловыми резервуарами(имеющими постоянные темп-ры) - нагревателем(с темп-рой Т1) и холодильником (с темп-рой Т 2 < T1). Превращение теплоты в работу сопровождается переносом рабочим телом определённого кол-ва теплоты от нагревателя к холодильнику."
Ничего ни куда не переносится, не обязательны ни тепловые контакты, ни разность температур. Для совершения термодинамического преобразования сразу обозначим, первого рода, т.е. единственного его вида применённого во всех известных ныне, так называемых, тепловых двигателях, необходимым условием является наличие разности давлений р.т. между рабочей зоной и зоной сброса р.т. Достаточными условиями является: а) перепад давления должен соответствовать возникающей результирующей, величина которой должна быть больше или равна величины противодействующих сил сопротивления, в числе которых - снимаемое усилие; б) принимающее энергию тело (поршень, ротор турбины или масса самой ракеты) должно находиться в движении. Это всё!
Вы возразите, как же? Двигатель то, тепловой. Во-первых, из выше сказанного следует, что он в первую очередь пневматический. Нагрев р.т. используется лишь для создания превалирующего давления р.т. и является, наиболее эффективным методом его создания. Подайте вместо р.т. сжатый воздух и любой известный "тепловой двигатель" будет работать. Декомпрессия остановит любой "тепловой двигатель". Кто-либо пытался проанализировать этот факт? Если в цилиндре с поршнем, р.т. будет иметь давление 1атм, то поршень не шелохнется в среде выброса с давлением 1атм, даже если температура р.т. внутри него будет больше15000. И наоборот, если температура в цилиндре будет равна температуре атмосферы, но давление р.т. будет удовлетворять сформулированному необходимому и достаточным условиям, то поршень будет выдвигаться и процесс т.д. преобразования происходить. Этот вывод вообще следует из элементарной формулы действующих на поршень сил, со стороны р.т. и со стороны атмосферы: F = Fр.т.- Fатм. = Pр.т.*Sпоршня - Pатм.*S поршня = Sпоршня (Pр.т. -Pатм.).
Где вы видите прямую зависимость сил от температуры?
Перейдём к просмотру самого цикла:
"Р.т. (например пар в цилиндре под поршнем) при температуре Т1 приводится в соприкосновение с нагревателем и изотермически получает от него кол-во теплоты δQ1 (при этом пар расширяется и совершает работу) , этому соответствует отрезок изотермы АВ."
Вы не забыли температуру этого нагревателя? Вернитесь наверх - Т1, так и есть. И как Вы собрались передавать теплоту от нагревателя с температурой Т1 рабочему телу с Т1? Не могу не сделать "лирического отступления", ибо меня часто упрекают в непочтительном отношении к Карно, поэтому хочу внести ясность в этом вопросе. Это предложение человека с планеты "Ниберу"? Землянам, допускающим такой процесс, я предлагаю, с чайником воды, имеющим температуру 1000С, войти в сауну с температурой 1000С. Как закипит, звоните, я прилечу с 1*106баксов, для торжественного вручения Вам. Я бы хотел посмотреть, вживую, на землянина обогревающего свое жилище с Т=200, радиаторами с Т=200, звоните, доставьте удовольствие. Кстати, не забывайте, процесс этого квазистатического изотермического преобразования применён светилами науки в двигателях! Не забыли сколько оборотов совершают двигатели в секунду? Я напоминаю для укрепления вашей уверенности в выборе квазистатических процессов для описания их работы. Но это не всё, это всего лишь здравый смысл. На самом деле всё ещё хуже, Карно...

Скорость, с которой человечество превращает в тепловую все остальные формы энергии, начинает уже угрожать самому факту существования цивилизации. «Тепловая смерть» в обозримом будущем из-за всё нарастающего потребления энергии с последующим ее рассеянием в виде тепла уже кажется неизбежной при сохранении нынешних темпов экономического развития. Но если человечество попытается затормозить их, то пойдет поперек законов эволюции и все равно погибнет.

Есть ли выход? Вполне возможно, что он пока не просматривается просто из-за неправильного понимания одного физического принципа. Преобразование энергопотребления в круговорот энергии в принципе позволило бы наращивать его интенсивность, не нарушая равновесия со средой. Это доказывает опыт органического мира, который, на протяжении тысячелетий сохраняя массу биосферы более или менее постоянной, многократно увеличил за время своей эволюции ежегодное потребление вещества и энергии. Ныне пропускаемые им ежегодно через себя массы вещества сравнимы с массой земной коры, а по некоторым оценкам — превышают ее.

Вечный двигатель второго рода невозможен?

Поскольку почти вся потребленная нами энергия рано или поздно рассеивается в виде тепла, из-за чего нам угрожает «тепловая смерть», постольку круговорот энергии должен будет принять форму круговорота тепла. Другими словами, нам предстоит научиться собирать рассеянное тепло, чтобы вновь и вновь использовать его энергию.

Идеальной тепловой машиной принято считать ту, которую теоретически разработал в 1824 году французский физик Сади Карно (Nicolas Léonard Sadi Carnot , 1796-1832). Ее идеальность заключается в том, что коэффициент полезного действия (КПД) любой другой машины, использующей те же холодильник и нагреватель, будет меньше, чем у машины, придуманной им. А то, что КПД его машины отличен от единицы, следует из самого факта наличия у нее холодильника: получив определенную энергию от нагревателя (например, в виде тепла от сжигания топлива), рабочее тело (в идеальной машине это, разумеется, идеальный газ), выполняя полезную работу, совершенно бесполезно отдает часть своей энергии в виде тепла холодильнику.

Сегодня для собирания рассеянного тепла используются энергетические установки классического типа (с холодильником) — гео- и гидротермальные энергоустановки и тепловые насосы с КПД меньшими, чем КПД Карно.

Разумеется, использование рассеянного тепла возможно только потому, что среда нагрета неравномерно, то есть с перепадами температуры, которые и используются собирающими тепло тепловыми машинами. Коль скоро величина этих перепадов невелика, КПД классических тепловых машин зарезается до чрезмерно малых значений. Поэтому круговорот тепла в энергетике может стать реальным лишь при ее базировании на энергетических установках без холодильника, КПД которых не был бы ограничен КПД Карно.

Такие энергетические установки называют вечными двигателями второго рода. Принято считать, что они запрещены вторым началом термодинамики . Однако угроза «тепловой смерти» заставляет нас максимально благожелательно рассмотреть аргументы в их защиту.

Положение не безнадежно. Не может быть так, чтобы на протяжении миллионов и миллиардов лет законы эволюции подстегивали органический мир, а затем и человечество к развитию в определенном направлении (в сторону интенсификации потребления вещества и энергии), а потом это развитие вдруг наткнулось бы на закон физики, который, делая невозможным круговорот тепла, обрекал бы человечество на гибель. Законы эволюции и физики, думается, входят в единый и непротиворечивый свод законов природы. Если это и на самом деле так, то запрет на вечные двигатели второго рода должен оказаться несостоятельным.

Ошибки классиков

Если же смешать кислород с водородом при одинаковой температуре, рост энтропии будет не связан с передачей тепла. При смешении холодного водорода с горячим кислородом энтропия будет расти и благодаря выравниванию температуры, и благодаря простому смешиванию (диффузии). Проблема в том, что при определенных условиях рост полной энтропии может сопровождаться уменьшением одного из слагаемых — например, тепловой.

В общем случае действует закон возрастания полной энтропии и не действует «закон» возрастания тепловой энтропии. Поскольку таким образом тепловая энтропия может убывать, постольку превращение тепла в другие формы энергии может происходить с уменьшением тепловой энтропии, лишь бы росла полная. Это означает, что превращение тепла в другие формы энергии может быть полным, то есть происходить без тепловой компенсации.

Обязательность холодильника для любой тепловой машины сегодня объясняют необходимостью обеспечения возрастания тепловой энтропии. Отмена «закона» ее возрастания делает запрет на вечные двигатели второго рода несостоятельным, что открывает дорогу к созданию энергетики, построенной на круговороте тепла.

О проектах вечных двигателей второго рода

Сегодня существуют многие десятки таких проектов. Однако все они огульно и априорно объявляются противоречащими второму началу термодинамики и, соответственно, недостойными критического анализа. В результате их авторы вынуждены «вариться» в собственной среде, что, естественно, лишает их возможности стать объектом рациональной критики и снижает научный уровень их текстов, часто — до недопустимо низкого. Здесь очень сложно отделять плевелы от ржи. Я расскажу только об одном таком проекте, идея которого представляется мне вполне достойной обсуждения.

Поместим навстречу ветру в атмосфере сужающуюся трубу, воздух в которой будет ускоряться по «геометрическим» причинам, подобно воздуху в расщелине между скалами или в узком проходе между домами. Такой поток в приближении идеального газа описывается уравнением Бернулли, известным в двух основных формах. Согласно первой, ускорение газа вдоль линии тока сопровождается уменьшением его давления, согласно второй — падением температуры. Первый эффект обеспечивает подъемную силу крыла, второй, надо полагать, может быть положен в основание вечного двигателя второго рода.

В самом деле, охлаждение потока газа означает уменьшение количества содержащегося в нем тепла, ускорение — рост его кинетической энергии. Тепловая энергия напрямую превращается здесь в кинетическую, холодильник отсутствует. Охлаждение потока газа происходит с уменьшением его тепловой энтропии, которое компенсируется ростом нетепловой энтропии, связанным с уменьшением давления.

Сужающуюся трубу можно снабдить турбиной, превратив ее в энергетическую установку. На «ветроэнергетическую установку» такого рода получили патент российские изобретатели Михаил Андреевич Егоров, Игорь Сергеевич Орлов и Эммануил Авраамович Соболь. Их установка выглядит на чертежах как пузатая бомба, подвешенная вдоль воздушного потока и принимающая его внутрь себя кольцеобразным отверстием.

Читатель, располагающий необходимой экспериментальной базой (каковая отсутствует у автора), может сам поставить experimentum crucis, использовав, например, для сооружения сужающейся трубы пленку для теплиц, закрепленную на проволочном каркасе.

Установка Егорова-Орлова-Соболя, мне кажется, может быть приспособлена и к водной среде, где она может иметь бóльшую мощность, поскольку в единице объема земных водоемов содержится существенно больше тепла, чем в единице объема атмосферы.

Но дело совсем не в том, работает ли эта конкретная конструкция. В мои задачи не входит предъявление проектов вечных двигателей второго рода, которые можно было бы немедленно запускать в производство. Я лишь пытаюсь переломить устойчивое негативное отношение Большой Науки к самой идее таких двигателей.

Новости партнёров

Вечный двигатель второго рода.

Как известно, закон сохранения энергии можно сформулировать в следующей несколько видоизмененной форме: при всех процессах преобразования энергии сумма всех видов энергии, участвующих в данном процессе, должна оставаться неизменной . Такая формулировка, хотя и не допускает возможности создания энергии из ничего, однако оставляет открытым другой путь реализации вечного двигателя, принцип работы которого основывался бы на идеальном преобразовании одной формы энергии в другую. Поэтому можно предложить, например, такой рабочий цикл: пусть в паровой машине (турбине, двигателе внутреннего сгорания или каком-либо ином тепловом двигателе) мы затрачиваем некоторое количество теплоты на совершение определенной механической работы; далее, полученную механическую энергию вновь преобразуем в тепло, нагревая с ее помощью пар и приводя им в действие паровую машину (турбину), и т.д. Понятно, что подобный цикл превращения энергии можно повторять бесконечно: ведь энергия данной системы с течением времени не увеличивается и не уменьшается.

Исследованием вопроса о перпетуум мобиле такого типа в начале XX в. подробно занимался известный немецкий физико-химик Вильгельм Оствальд . Описанную выше идеальную машину, способную циклично и без потерь преобразовывать энергию из одной формы в другую, он назвал перпетуум мобиле второго рода. Правда, как явствует из самого названия, даже после отказа от возможности создания перпетуум мобиле первого рода проблема вечного движения все же продолжает оставаться открытой. При этом, однако, оба указанных вида вечных двигателей резко различаются между собой. В то время как функция объявленного учеными неосуществимым перпетуум мобиле первого рода состояла в непрерывном совершении полезной работы без пополнения запасов энергии от внешних источников, назначение вечного двигателя второго рода представлялось совершенно иным - от этой машины требовалась лишь способность идеально трансформировать энергию.

В связи с обсуждением вопроса о вечном двигателе второго рода в центре дискуссии снова оказалось действие закона сохранения энергии. Из курса физики известно, что этот закон в применении к тепловым процессам составляет содержание первого начала термодинамики. Действительно, первое начало утверждает эквивалентность тепловой и механической энергии, однако в нем ничего не говорится о том, в каком направлении должны протекать процессы преобразования энергии. Бросаем ли мы камень со скалы в пропасть, превращаем ли при взрыве накопленный во взрывчатке запас химической энергии в механическую энергию, свет и тепло, сжигаем ли топливо для обогрева наших домов - все это суть закономерные изменения форм энергии. Но в то же самое время закон сохранения энергии не запрещает протекание любого из этих процессов в обратном направлении, что явно противоречит нашему практическому опыту. Таким образом, некритическое применение этого закона приводит нас к абсурдным заключениям.

Приведем еще один пример. Согласно первому началу термодинамики, теплота эквивалентна механической энергии, поэтому, не входя в противоречие с первым началом, вполне можно построить машину, отбирающую тепло от тела, которое имеет температуру окружающего воздуха, или, к примеру, забирающую тепло воды из больших водоемов и совершающую благодаря этому механическую работу. При этом даже небольшое охлаждение воды в водоеме освобождало бы огромное количество тепловой энергии, которую можно было бы преобразовывать в электрическую или, далее, опять в механическую энергию. Так, например, охлаждая на 1°С воду, содержащуюся в пруду площадью 120 м 2 и глубиной 1,9 м, мы получили бы энергию, равную 954 кДж . Если преобразовать теперь полученную механическую энергию обратно в тепло, то тем самым возникает замкнутый цикл преобразования энергии, основанный на принципе перпетуум мобиле второго рода. Вопрос заключается только в том, осуществимы ли на практике машины, реализующие этот идеальный цикл трансформации, поскольку в обыденной жизни мы никогда не встречаемся с подобными явлениями.

Из собственного опыта мы знаем, что в теплом помещении вынутая из холодильника бутылка с молоком нагревается, а стакан горячего чая остывает. К тому же холодная жидкость при своем нагревании незаметно понижает температуру воздуха в комнате, а горячая - повышает. Понятно, что в этих процессах мы не находим ничего удивительного. Вместе с тем никогда не случается, чтобы холодное тело само собой охладилось или горячее - нагрелось. Для такого охлаждения служат специальные холодильные установки, нуждающиеся, однако, в постоянном подводе энергии от внешних источников. В то же время самопроизвольное охлаждение холодного или нагревание горячего тела вовсе не противоречит первому началу термодинамики. Поэтому очевидно, что формулировку этого закона следует как-то уточнить и дополнить.

Задачу об использовании тепла путем охлаждения водных бассейнов нашей планеты приводил еще В. Оствальд в качестве типичного примера, демонстрирующего нереальность идеи вечного двигателя второго рода. В своей книге «Всеобщая химия », изданной в 1893 г., он писал:

«Обычно мы не отдаем себе отчета в том, что теорему о перпетуум мобиле можно истолковывать двояким образом. С одной стороны, - о ней речь заходит чаще - можно было бы построить перпетуум мобиле (имеется в виду вечный двигатель первого рода), с его помощью вырабатывать определенную энергию и использовать ее, например, для привода какой-либо машины. Доказательство невозможности подобного процесса приводит нас к первому основному закону энергетики, который говорит о том, что энергию нельзя создать или уничтожить. Перпетуум мобиле, однако, можно было бы приводить в действие иначе, не вырабатывая энергии, если бы удалось включить в процесс трансформации огромное количество неиспользованной энергии, таящейся в природе. Например, если бы можно было преобразовать большие запасы тепловой энергии, содержащиеся в водах Мирового океана, в механическую энергию, которая со временем опять перешла бы в тепловую энергию, то тем самым мы осуществили бы вечный двигатель второго рода. Такое, конечно, невозможно, потому что эти запасы тепла, внешне проявляющиеся в форме установившейся температуры Земли, неизменны».

Другой немецкий физик Рудольф Клаузиус также много времени посвятил исследованию проблем термодинамики. В частности, он пришел к выводу, что энергия нашего мира остается неизменной. Одновременно с этим он высказал важную теорему о стремлении энтропии замкнутой системы к максимуму. Чтобы лучше понять значение этой теоремы, попытаемся подробнее пояснить смысл понятия энтропии, оставляя в стороне его строгую математическую формулировку. Важнейшим свойством энтропии является то, что она не изменяется в обратимых физических процессах, т.е. в идеальных процессах, которые могут протекать в обоих направлениях без какой бы то ни было потери энергии. Практический опыт показывает, что в реальных физических явлениях всегда присутствуют те или иные факторы, например, пассивные силы (трение), из-за воздействия которых часть преобразуемой энергии, переходя в тепло, для следующей фазы данного цикла трансформации оказывается безвозвратно потерянной. О таких потерях говорят как о «мертвой» энергии, об «обесценивании » энергии или о снижении ее «качества ». В связи с этим тепловой энергии отводят последнее место в ряду различных видов энергии, поскольку при всяком процессе ее преобразования обязательно возникает тепло, которое уже нельзя трансформировать ни в какую более высокую форму энергии.

Рассуждения такого рода, применявшиеся к нашему миру в целом, приводили к созданию представлений о так называемой тепловой смерти Вселенной , к которой будто бы закономерно стремится весь окружающий мир. В частности, это должно было проявляться в повышении температуры земной атмосферы и самой планеты в результате выделения тепла при всяком природном процессе преобразования энергии.

В другой интерпретации энтропия рассматривается как мера «рассеяния» энергии в системе. Это толкование энтропии основывается на том факте, что при любом процессе, происходящем в какой-либо замкнутой системе, преобразуется только часть энергии системы, в то время как остаток рассеивается в тепло, причем так, что его нельзя извлечь обратно. Мерой таких потерь или «рассеяния » энергии и является приращение энтропии. При этом численное значение энтропии оказывается пропорциональным величине энергии, перешедшей во внутреннюю энергию участвующих в процессе тел, т.е. в теплоту.

Именно подобное рассеяние энергии является препятствием для реализации вечных двигателей, работающих без пополнения энергетических запасов извне. Например, рассеяние энергии в приводном механизме паровой машины и в самом котле, где нагревается пар для приведения ее в движение, делает невозможным описанный выше вечный двигатель второго рода. Действительно, пусть нагретый пар из котла приводит в движение паровую машину. Представим себе, что приводной механизм этой машины сделан так, что энергия его движения полностью преобразуется в тепло, подводимое обратно к котлу паровой машины. Так вот, в этой, казалось бы, идеальной системе именно из-за наличия потерь будет происходить постоянное убывание рабочей энергии, причем в результате температура и давление пара в котле будут падать, а вместе с ними будет убывать и мощность самой паровой машины.

Другие изобретатели перпетуум мобиле предлагали, например, соединить два часовых механизма так, чтобы ходом одного из них заводилась пружина другого - это давало бы возможность получить «вечную» хронометрическую систему, которая принципиально не противоречила бы закону сохранения энергии. Практические опыты, однако, опровергли эту возможность, потому что такой вечный двигатель останавливался, как только сравнивались приводные усилия обеих пружин. Более того, если даже допустить, что с помощью соответствующих изменений конструкции можно достигнуть переноса существенной части энергии от одной пружины к другой, то и тут мы не сумели бы ничего добиться - именно из-за влияния уже упомянутого рассеяния энергии, сопровождающего каждый рабочий цикл.

Таким образом, с помощью понятия энтропии был сформулирован еще один важный закон, вместе с законом сохранения энергии проливший свет на проблему вечного двигателя второго рода. Одна из его формулировок - это теорема Клаузиуса о стремлении к максимуму энтропии замкнутой системы.

Другая эквивалентная формулировка утверждает, что невозможно создать устройство, постоянно совершающее механическую работу за счет теплоты и преобразующее полученную механическую энергию обратно в тепло . Этот закон называется вторым началом термодинамики. Второе начало термодинамики отвергает также возможность получения энергии путем охлаждения тел ниже температуры окружающей среды. Таким образом, для того чтобы преобразовать теплоту в другой вид энергии (например, в механическую), нам нужно иметь нагреватель (котел) и конденсатор (холодильник). Чем больше разность температур в нагревателе и конденсаторе, тем большую долю тепла можно преобразовать в полезную работу. Если же эта разность будет равна нулю, то и количество произведенной работы окажется нулевым.

Второе начало термодинамики устраняет неполноту закона сохранения энергии, который не делал различия между обратимыми и необратимыми процессами и тем самым оставлял призрачную надежду тем, кто не хотел мириться с невозможностью создания перпетуум мобиле.

Кроме того, второе начало термодинамики налагает запрет и на вечные двигатели, аналогичные перпетуум мобиле второго рода, но основанные на преобразовании других видов энергии. Так, например, невозможна вечная работа пары электромотор - генератор, сидящей на одном валу, которая действовала бы по следующей схеме: электрический ток, вырабатываемый генератором, приводит во вращение электромотор, а механическая энергия электромотора в свою очередь трансформируется в генераторе в электрическую. Если бы оба элемента этой пары работали с 100%-ным к.п.д. (что, естественно, невозможно из-за наличия в них электрических и механических потерь), то подобная система должна была бы поддерживать себя в постоянном движении. Однако она никоим образом не могла бы быть использована для практических целей, потому что, начав отбирать от этого агрегата полезную работу, мы тем самым нарушили бы его энергетическое равновесие, и система бы остановилась.

Этот часто приводимый в литературе пример системы мотор-генератор много раз служил прообразом ряда других, более простых проектов. Правда, при подобных упрощениях невозможность перпетуум мобиле «мотор-генераторного» типа выявляется еще яснее. Ведь, например, можно заменить мотор и генератор системой двух взаимосвязанных ременных шкивов. Наконец, можно ограничиться даже одним шкивом, считая одну его половину ведущим, а другую - ведомым элементом. Можно придумать еще десятки подобных конструкций, но результат всегда будет только один, поскольку всем этим вечным двигателям, как простым, так и сложным, второе начало термодинамики уже огласило свой приговор.

Строгости ради стоит заметить, что этот закон имеет статистический характер и применим только к макроскопическим объектам. В частности, его нельзя использовать при описании движения молекул или малых частиц вещества (броуновское движение ). Кроме того, постоянное тепловое движение, обусловливающее внутреннюю энергию макроскопических тел, не может служить источником энергии для совершения полезной работы.