какой закон термодинамики утверждает что создание вечного двигателя невозможно

Как первое начало термодинамики мешает разработке вечного двигателя

Обновлено: 10 Марта 2021

Рассказываем, что такое первое начало. Объясняем, как физические законы отражаются на материальном мире и почему нельзя изобрести perpetuum mobile.

Что такое термодинамика?

Это направление в физике, изучающее макроскопические системы (т.е. объединенную чем-либо совокупность большого количества частиц), их свойства, а также способы передачи и преобразования энергии. Оно упрощает жизнь ученых и позволяет сделать статистически верные расчеты для комплекса частиц, параметры которых (скорость, объем, энергия) нельзя измерить обычным путем: например, характеристики газа в баллоне или воздушном шаре.

Термодинамика как научная дисциплина зародилась не ранее 16 века, когда Галилео Галилей изобрел предположительно первый в мире термометр. Долгое время этот раздел физики не получал дальнейшего развития, поэтому настоящий толчок можно отнести только к 19 веку, а именно — промышленной революции.

Важные понятия, которые нам понадобятся в дальнейшем:

Как у классической механики есть три закона Ньютона, так у термодинамики есть свои три «столпа». Первое, второе и третье начала.

Первое начало термодинамики

Любая изолированная система обладает постоянным запасом энергии

Так сформулировал первый закон термодинамики Джеймс Прескотт Джоуль.

Это правило приводит нас к выводу, что изменение количества внутренней энергии системы возможно только в 2 случаях:

При этом любое механическое действие также подразумевает трату энергии, а это значит, что вечный двигатель первого рода (т.е. тот, которому для совершения работы не нужны внешние источники), невозможен. Подробнее об этом мы расскажем ниже.

Формула, выражающая первое начало термодинамики, выглядит так:

Первое начало vs вечный двигатель

Perpetuum Mobile — давняя мечта человечества. Кто стал автором этой фантастической идеи, сейчас уже не узнать. Первые попытки изобретения были предприняты в 12 веке в Индии, но, как мы знаем, не увенчались успехом. Несмотря на это, уже к 14-15 векам идеей был одержим весь цивилизованный мир: чертежи потенциального вечного двигателя были найдены даже среди рисунков Леонардо да Винчи, хотя в целом он относился к затее скептически.

В 19 веке Джеймс Джоуль нашел способ экспериментального подтверждения закона сохранения энергии (первое начало — его вариация для термодинамики). Этого оказалось достаточно, чтобы научный мир смог осознать тщетность попыток изобрести подобного рода механизм.

Представим цилиндр с поршнем, наполненный газом. Пока на внешнюю оболочку устройства нет воздействия, условия внутри также останутся неизменными. Однако если этот предмет получит некоторое количество теплоты, то увеличится его внутренняя энергия. Это значит, что молекулы газа станут двигаться быстрее, а само вещество займет больший объем и, в конце концов, начнет толкать поршень.

Работа без внешнего притока энергии возможна только до тех пор, пока у системы есть свой запас, за счет которого и будут совершаться механические действия. Затем устройство перестанет что-либо производить и придет в состояние термодинамического равновесия.

К слову, вечный двигатель второго рода также невозможен: об этом нам говорит второе начало термодинамики.

Надеемся, что наша статья дала представление о том, что такое термодинамика и ее первое начало. А если остались вопросы или нужна помощь с решением задач, то обращайтесь к авторам FenixHelp.

Источник

Вечный двигатель с точки зрения термодинамики

Вы будете перенаправлены на Автор24

Вечный двигатель в физике считается воображаемым и неограниченно долго действующим устройством, позволяющим получать в большем количестве (в сравнении с количеством сообщенной ему извне энергии) полезную работу (речь идет о вечном двигателе первого рода).

Рисунок 1. Схема вечного двигателя. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Также при нем возможно получение тепла от одного резервуара и достижение полного превращения его в работу (вечный двигатель второго рода).

Понятие и разновидности вечного двигателя

В физике выделяют два типа вечного двигателя:

Эти два начала термодинамики вводились в формате постулатов после неоднократных подтверждений в экспериментальных смыслах невозможности появления вечных двигателей. Из них, в свою очередь, были выведены многие физические теории, протестированные большим числом наблюдений и экспериментов, что не оставляет ученым каких-либо сомнений в верности таких постулатов.

Готовые работы на аналогичную тему

В частности, второе начало термодинамики может формулироваться в форме одного из следующих (эквивалентных) постулатов:

История возникновения идеи создания вечного двигателя

Рисунок 2. Изображение вечного двигателя. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Попытки исследовать место, причины и время возможного возникновения идеи вечного двигателя представляют весьма сложную задачу. Также довольно затруднительным становится попытка назвать первого автора данной идеи.

К наиболее ранним сведениям о вечном двигателе ученые относят упоминание, которое можно встретить у индийского астронома Бхаскары, также отдельные заметки встречаются в арабских рукописях XVI в., которые сохраняются в Оксфорде, Лейдене, Готе.

На сегодня в качестве прародины первых вечных двигателей по праву выступает Индия. Так, Бхаскара в своих произведениях описывает колесо с прикрепленными по ободу наискосок длинными и узкими сосудами, заполненными наполовину ртутью. Принцип действия такого механического двигателя базировался на разнице моментов сил тяжести, формируемых жидкостью, способной перемещаться в сосудах, помещенных на окружность колеса.

Бхаскара обосновывает процесс вращения колеса достаточно просто: «наполненное подобным образом жидкостью колесо, являясь насаженным на ось, что лежит на двух неподвижных опорах, непрерывно вращается независимым образом».

Первые проекты вечного двигателя на территории Европы соотносятся с эпохой активного развития механики (примерно к XIII в.) К XVI—XVII векам идея вероятного появления вечного двигателя обрела статус особенно широкого распространения.

В этот временной период наблюдался быстрый рост количества проектов вечных двигателей, подаваемых для рассмотрения в патентные ведомства европейских стран (так в числе рисунков Л. Да Винчи была обнаружена гравюра с нанесением чертежа вечного двигателя).

Причины невозможности создания вечного двигателя с точки зрения термодинамики

Рисунок 3. Невозможность вечного двигателя. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Первый закон термодинамики считается законом энергетического сохранения, согласно ему, энергия не может быть ни созданной, ни уничтоженной, она является просто переходящей из одного формата в другой.

С целью содержания механизма в постоянном движении, приложенная энергия обязана сохраняться в подобном механизме, исключая какие-либо потери. Именно эта причина исключает вероятность создания вечного двигателя.

С целью возможности построения вечного двигателя (при теоретическом допущении) важно соблюдение нескольких условий.

У машины должны отсутствовать какие-либо «трущиеся» части, то есть любые движущиеся части не должны прикасаться к другим, поскольку это допускает вероятность трения, которое может спровоцировать потерю энергии машиной.

В условиях соприкосновения частей, появляется тепло, которое и будет являться энергией, потерянной машиной. При этом ученые исключают существование идеально гладких объектов.

Машина должна функционировать в безвоздушном вакууме, что диктуется первым условием. Ее эксплуатация в любом месте спровоцирует потерю энергии по причине трения между движущимися частями и воздухом. Несмотря на незначительность энергопотерь из-за трения воздуха, в случае с вечным двигателем, это представит серьезную проблему.

Так, даже при существовании минимальных энергопотерь, машина станет замедляться и в конечном итоге, остановится совсем даже по прошествии большого количества времени. Машина также не должна издавать каких-либо звуков, поскольку звук также представляет форму энергии, а появление звука будет означать, что она также фактически потеряла энергию.

Двигатели второго рода, задействующие теплоту окружающих тел, не станут противоречием закону сохранения энергии. Но подобные нехитрые конструкции оказываются бессильными перед вторым началом термодинамики: в рамках замкнутой системы самопроизвольный переход теплоты оказывается невозможным (от более холодных тел к горячим). Для этого требуется некий посредник. А для его работы понадобится энергия из внешнего источника.

Но самое интересное, что создание вечного двигателя может превратиться в бессмысленную идею. Ученые рассчитывают на возможность получения бесплатного источника энергии таким образом, однако, в действительности, будет получено столько энергии, сколько изначально было направлено в такой двигатель.

Источник

Почему невозможно создать вечный двигатель?

Примерно в 1159 году математик по имени Бхаскара Ученый придумал дизайн колеса, содержащего в себе изогнутые резервуары со ртутью. Он предполагал, что когда колесо вращается, ртуть будет перетекать вниз каждого резервуара, постоянно делая одну из сторон колеса тяжелее другой. Этот дисбаланс заставил бы колесо вращаться вечно.

Рисунок Бхаскара был одним из ранних дизайнов вечного двигателя, устройства, которое должно работать бесконечно, без использования внешнего источника питания. Представьте себе ветряк, создающий ветер, необходимый ему для вращения. Или лампочку, которая своим светом создает для себя электричество. Такие устройства владели умами многих изобретателей, поскольку могли бы изменить наши взаимоотношения с энергией.

К примеру, если бы вы могли построить вечный двигатель, использующий людей в качестве элемента такой идеально эффективной системы, он мог бы поддерживать жизнь бесконечно. Но есть одна проблема. Они не работают. Все идеи создания вечного двигателя нарушают один или несколько законов термодинамики, раздела физики, который описывает взаимоотношения между разными формами энергии.

Первый закон термодинамики гласит, что энергию невозможно создать или уничтожить. Невозможно получить больше энергии, чем было затрачено. Соответственно, вечный двигатель невозможно создать, поскольку никакое устройство не может выработать больше энергии, чем оно потребляет. Не может быть избытка, чтобы привести в движение автомобиль или зарядить телефон. Но что, если мы хотим устройство, которое приводит в движение само себя? Изобретатели предлагают множество идей. Некоторые из них были разновидностями дисбалансного колеса Бхаскара, с перекатывающимися шариками или весами на подвижных плечах. Ни одно из них не работало.

Подвижные элементы, которые делают одну сторону колеса тяжелее, также смещают центр его тяжести ниже собственной оси. С низким центром тяжести, колесо лишь качается вперед-назад, как маятник, а потом останавливается. А что, если попробовать другой подход? В 17-м веке, Роберт Бойль выдвинул идею самонаполняющегося сосуда. Он предположил, что капиллярность и притяжение жидкостей и поверхностей, продвигающие воду по тонкой трубке могут заставить воду циркулировать по сосуду. Но если капиллярность настолько сильна, что преодолевает гравитацию, поднимая воду вверх, она же и не позволяет ей попадать обратно в сосуд.

Существуют также версии с магнитами, как эта система наклонных поверхностей. Предполагается, что шарик будет притягиваться вверх магнитом, падать в дыру и скатываться вниз, повторяя этот цикл. Но и это не работает поскольку, как и самонаполняющийся сосуд, магнит будет просто удерживать шарик на вершине. Даже если бы шарик двигался, сила притяжения магнита со временем снизится и он перестанет работать. Чтобы все эти механизмы работали, они должны генерировать дополнительную энергию, чтобы система смогла преодолеть сдерживающий фактор, нарушая первый закон термодинамики.

Кажется, что есть механизмы, которые работают, но в реальности, оказывается что они неизбежно используют энергию из какого-либо внешнего источника. Даже если бы инженерам удалось создать механизм, который не нарушал первого закона термодинамики, он все равно бы не смог заработать из-за второго закона. Второй закон термодинамики гласит, что энергия склонна распределяться из-за таких процессов, как, например, трение.

Любой действующий механизм имеет подвижные элементы, или взаимодействует с молекулами воздуха или жидкостей, что создает незначительные количества трения и теплоты, даже в вакууме. Из-за нагрева теряется энергия, и ее утечки неизбежны. Это снижает количество энергии, доступной для самой системы, приводя, в итоге, к необратимой остановке. До сих пор, эти два закона термодинамики ставили в тупик все идеи вечного двигателя и мечты об идеально эффективном создании энергии, следующие из них.

Однако, трудно безапелляционно утверждать, что нам никогда не изобрести вечный двигатель, поскольку мы все еще многого не знаем о вселенной. Возможно, мы найдем новые, экзотические формы материи, которые заставят нас пересмотреть законы термодинамики. А может быть, вечное движение существует в миниатюрном квантовом масштабе.

В чем нам стоит быть уверенными, так это в том, что мы никогда не остановим поиски. На сегодня, единственное, что действительно кажется вечным, это наш поиск.

Я про вечный двигатель читал ещё в детстве, в «Занимательной физике» Перельмана.

Если ребенок раскачивается на качели только с помощью изменения угла ног, можно ли сделать подобный маятник и хватит ли мощности с одного его хода для генерации энергии, способной изменить угол?

никогда такого небыло и вот опять

Классическая механика – физик Кирилл Половников

Как Галилей экспериментально подтвердил 1-й закон Ньютона ещё до его формулировки? Как развивалась классическая механика? Какой вклад сделали Галилео Галилей и Исаак Ньютон в её развитие? Как звучат законы классической механики? Рассказывает Кирилл Половников, кандидат физико-математических наук, популяризатор науки, стипендиат фонда «Династия».

Тайна снежинок (Veritasium)

Какие тайны скрывает процесс образования снежинок, обеспечивающий такое широкое разнообразие форм и сложность узора? Как выращивать снежинки в лабораторных условиях, влияя всего на два параметра: температуру и влажность, чтобы приблизиться к пониманию того, как работает формообразование кристаллов льда?

Почему гелий меняет наш голос, а также что такое инертные газы

На уроках химии мы слышали об инертных газах. Их еще называют благородными, такое красивое название было дано не с проста, ведь все инертные газы, а именно гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, а также радиоактивные радон и оганесон обладают очень низкой химической активностью, их соединения с другими веществами существуют лишь в специальных, экстремальных условиях, а значит, эти газы не горят и не поддерживают горение, более того, не имея цвета, запаха и вкуса они не токсичны для человека, их вообще как будто нет, настоящее благородство!)

Но это не совсем так, инертные газы хоть и не отравляют человека, но наркотически действуют на него, однако это не относится к гелию и неону, поскольку их наркотический эффект проявляется при очень повышенном давлении, впрочем, поэтому наркоманы и не дышат шариками с гелием.

Интересным фактом является то, что инертные газы переходят в жидкое состояние при экстремально низких температурах, при этом почти сразу после переходя в твердое состояние. Таким образом разница между температурой кипения и плавления у веществ состовляющих инертные газы 2-5, максимум 10 градусов.

Вообще гелий удивителен. Во Вселенной он второй по распространенности после водорода, но на Земле существует в совсем малых количествах, однако не беспокойтесь, на надувание шариков всем хватит). Из за практически самого малого размера атомов гелия, они почти не сталкиваются друг с другом, когда гелий находится в газообразном состоянии, что делает гелий идеальным газом (идеальный газ это такая теоретическая модель, можете посмотреть о ней в Википедии подробнее).

Еще одна занимательная вещь, что гелий, как и все инертные газы светится при пропускании через него электрического тока. Причем при изменении давления внутри газа, можно менять его цвет. Это связанно с тем, что с увеличением давления, электроны начинают чаще сталкиваться с атомами гелия и общая энергия вещества увеличивается, приводя к изменению цвета. Так гелий может светиться желтым, розовым, оранжевым и зеленым цветами.

Но мы то все знает гелий как веселый газ, смешно изменяющий наш голос. Почему так происходит? Тут нужно разобраться, что вообще такое звук, издаваемый нами при выдохе.

По простому звук есть колебание молекул или других мельчайших частиц среды, улавливаемое нашим ухом. Такой средой является воздух. Когда мы издаем какие либо звуки, наши голосовые связки вибрируют, создавая колебания среды, то есть воздуха. Чем чаще колеблятся связки, тем выше высота звука. Если мы вдохнем вместо воздуха гелий, он станет средой для распространения звука. Но из за гораздо меньшей плотности гелия, он создает меньшее давление на голосовые связки, чем воздух, позволяя им вибрировать быстрее и издавать более тонкий звук.

Так, для понижения голоса можно вдохнуть плотный газ, например фторид серы, он в 5 раз тяжелее воздуха и сильно понижает частоту колебаний голосовых связок, позволяя Вам говорить как Халк:).

Наблюдателя убери

О современной физике в одном абзаце

Больше околонаучного на канале https://t.me/everScience

Отец и сын

В 1906 году Джозеф Джон Томсон получил Нобелевскую премию по физике за демонстрацию того, что электрон является элементарной частицей, а в 1937 году его сын Джордж Паджет Томсон получил Нобелевскую премию за то, что показал, что электрон может быть волной.

Больше околонаучного на канале https://t.me/everScience.

25 часов в сутки

О ЯДОВИТОЙ ЛАПШЕ НА УШИ

Пришла пора опубликовать здесь свою заметку, писанную в 2010 году или раньше. Потому что актуальности она не утратила.

Илья Ильф при полной поддержке Евгения Петрова не церемонился со скудоумными соотечественниками. Достаточно вспомнить Эллочку Щукину, которую он сравнивал по уровню развития с людоедами племени мумбо-юмбо, или её подругу Фиму Собак, знавшую богатое слово гомосексуализм. Была в записных книжках Ильфа и шутка про человека такого некультурного, что бактерия ему снилась в виде большой собаки.

Это я к тому, что на днях многочисленные интернет-леди сделали перепост одного и того же текста с проникновенным заголовком «Для всех, кто дорожит здоровьем близких. ».

Привожу его полностью, с авторской орфографией и пунктуацией.

1. Никакой пластиковой посуды в микроволновых печках.
2. Никаких пластиковых бутылок с водой в морозильных камерах.
3. Никаких пластиковых упаковок в микроволновых печах.
Эта информация была опубликована в газете, выпускаемой больницей им. Джона Хопкинса (Johns Hopkins Hospital), а также распространена Медицинским центром Walter Reed Army.
Диоксин вызывает раковые заболевания, особенно рак груди.
Диоксин является высоко ядовитым веществом для клеток человеческого организма.
Не замораживайте пластиковые бутылки с водой, так как это приводит к освобождению дииоксина, входящего в состав пластика.
Особое внимание следует уделить недопустимости использования пластиковой посуды для нагревания пищи в микроволновках. Особо это касается жирной пищи. Сочетание жира, высокой температуры и пластика вызывает освобождение диоксина и его проникновения в пищу, а, соответственно, в конечном счете, в клетки человеческого организма.
Вместо пластика, медики рекомендуют для подогрева пищи использовать стеклянную или керамическую посуду. Результат будет тот же, но без диоксина в пище!
Поэтому продукты быстрого приготовления, такие как растворимые супы, каши и т.д. вначале необходимо переложить из пластиковой упаковки в стеклянную посуду, а затем лишь ставить в микроволновку или любую другую печь.
Также недопустимо использование пластиковых крышек, покрытий во время приготовления пищи в микроволновой печи. Это также опасно, как и использовать пластиковую посуду. Высокая температура приводит к тому, что диоксин практически «растаивает и стекает» с такой крышки в пищу. Намного безопаснее использовать бумажные салфетки.

Конец пространной цитаты…

…которая представляет собой классический образец белиберды, рассчитанной на впечатлительного идиота – или идиотку, да простят меня дамы. Потому что образ диоксина, «освободившегося» из пищевой посуды благодаря «сочетанию жира, высокой температуры и пластика», или диоксина, который «растаивает и стекает» в пищу – это штука посильнее «Фауста» Гёте, как сказал бы один Отец Народов. И очень напоминает ту самую бактерию в виде большой собаки.

Фрэнк Заппа язвил: современная журналистика – это когда тот, кто не умеет писать, берёт интервью у того, кто не умеет говорить, для того, кто не умеет читать. Я бы добавил, что зачастую разговор идёт на тему, в которой ни бельмеса не смыслят все трое.

Пожалуй, в процитированной статейке верно лишь одно: диоксины (их много разных) действительно представляют смертельную опасность. Кроме рака, они вызывают многие болезни, а ядовиты примерно в тысячу раз сильнее, чем боевые отравляющие вещества.

Но вот незадача: в состав любого диоксина входит хлор. Которого нет и быть не может в полиэтилене, состоящем только из углерода с водородом – это проходят в средней школе.

Хлор есть в ПВХ – поливинилхлориде, из которого не посуду делают, а лепят, например, дешёвую напольную плитку. Если такую плитку сжигать (не нагревать в микроволновке, а именно сжигать!), в самом деле можно получить диоксин. И если отбеливать хлором целлюлозную пульпу – тоже. И если производить гербициды хлорфенольного ряда… Но какое, интересно, отношение это имеет к кулинарии?

Есть соблазн поглумиться над каждой строчкой безграмотных авторов, у которых одинаково плохо и с русским языком, и с физикой-химией. Им для начала не худо бы усвоить, что термическая деформация – это физический процесс, а горение – химический. При окислении появляются новые вещества, а при плавлении – нет.

Есть соблазн, и всё же я не стану тратить время. Ограничусь предложением «для всех, кто дорожит здоровьем близких»: если выуживаете в сети заметки на жизненно важную тему – не почтите за труд освежить в памяти школьную программу, наведите пару справок, ведь интернет как раз под рукой!

И не спешите верить всему, что публикуют доброхоты-двоечники. Особенно если они пугают вас подслушанным где-то непонятным словечком диоксин и ссылаются на американскую клинику имени Хопкинса. Очень может быть, что это как раз пациенты клиники резвятся в отсутствие санитаров.

Источник