Комплексные числа (работа 8)
Введение.
Современная жизнь человека невозможна без использования самых разнообразных машин, облегчающих его жизнь. С помощью машин человек обрабатывает землю, добывает нефть, руду, прочие полезные ископаемые, передвигается и т.д. Основным свойством машин является их способность совершать работу.
Во всех механизмах и машинах прежде, чем совершить работу, энергия переходит из одного вида в другой. Нельзя получить энергии одного вида больше, чем другого при любых превращениях энергии, т.к. это противоречит закону сохранения энергии. В связи с этим нельзя создать вечный двигатель, т.е. такой двигатель, в котором в результате превращения энергии одного вида ее получается больше, чем было.
Так называемый вечный двигатель занимает в истории науки и техники особое и очень заметное место, несмотря на то, что он не существует и существовать не может. Этот парадоксальный факт объясняется прежде всего тем, что поиски изобретателей вечного двигателя, продолжающиеся более 800 лет, связаны с формированием представлений о фундаментальном понятии физики — энергии. Более того, борьба с заблуждениями изобретателей вечных двигателей и их ученых защитников в значительной степени способствовала развитию и становлению науки о превращениях энергии — термодинамики.
У всех без исключения авторов, писавших о вечном двигателе, основное внимание уделялось так называемому вечному двигателю первого рода, которым занимались изобретатели прежних времен. Вечные двигатели второго рода, которые пытаются создать теперешние изобретатели, почти не рассматриваются. Между тем именно здесь находится центральный пункт полемики, связанной с предложениями о создании «инверсионных» энергетических устройств, могущих, якобы, обеспечить человечество энергией навечно и без расходования каких-либо возобновляемых и не возобновляемых ресурсов.
Вот как писал о значении для человечества вечного двигателя французский инженер Сади Карно: « Общее и философское “perpetuum mobile” содержит в себе не только представление о движении, которое после первого толчка продолжается вечно, но действие прибора или какого-нибудь собрания таковых, способного развивать в неограниченном количестве движущую силу, способную выводить последовательно из покоя все тела природы, если бы они в нем находились, нарушать в них принцип инерции, способного, наконец, черпать из самого себя необходимые силы, чтобы привести в движение всю Вселенную, поддерживать и беспрерывно ускорять ее движение. Таково было бы действительно создание движущей силы. Если бы это было возможно, то стало бы бесполезным искать движущую силу в потоках воды и воздуха, в горючем материале, мы имели бы бесконечный источник, из которого могли бы бесконечно черпать.»
Действительно, положение о невозможности осуществления вечного двигателя первого рода очевидно для современного человека, который со школьных лет знает закон сохранения энергии.
Закон сохранения энергии был сформулирован еще в 1748 году М.В. Ломоносовым, который писал: «…так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; …Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому телу, которое от него движение получает.»
При рассмотрении идеи вечного двигателя второго рода нужно не только выявить противоречие с законом природы, но и убедить в незыблемости самого этого закона. Однако второй закон термодинамики далеко не так очевиден, как закон сохранения энергии.
От утопии - к науке, от науки – к утопии.
Приступая к разбору истории вечного двигателя, нужно, по-видимому, начать с того, откуда взялось это понятие и что, собственно оно означает.
Идея об устройстве, которое могло бы приводить в движение машины, не используя ни мускульную силу, ни силу ветра и падающей воды, возникла впервые, насколько известно, в Индии в XII веке. Однако практический интерес к ней проявился в средневековых городах Европы в XIII веке. Это не было случайностью; универсальный двигатель, способный работать в любом месте, был бы очень полезен средневековому ремесленнику. Он мог бы приводить в движение кузнечные меха, подававшие воздух в горны и печи, водяные насосы, крутить мельницы, поднимать грузы на стройках. Говоря современным языком, создание такого двигателя позволило бы сделать существенный шаг и в энергетике, и в развитии производительных сил в целом.
Средневековая наука не была готова к тому, чтобы хоть как-то помочь этим поискам. Привычных нам представлений, связанных с энергией и законами ее превращений, в то время еще не было. Естественно поэтому, что люди, мечтавшие создать универсальный двигатель, опирались прежде всего на то вечное движение, которое они видели в окружающей природе: движение солнца, луны и планет, морские приливы и отливы, течение рек. Такое вечное движение называлось «perpetuum mobile naturae» — естественное, природное вечное движение. Существование такого природного вечного движения со средневековой точки зрения неопровержимо свидетельствовало о возможности создания и искусственного вечного движения — «perpetuum mobile artificae».надо было только найти способ перенести существующие в природе явления на искусственно созданные машины.
Представление о вечном двигателе существенно менялось в соответствии с развитием науки, в частности физики, и задачам, которые возникали перед энергетикой.
В первый период развития perpetuum mobile (XIII—XVIII вв.) его изобретатели не понимали принципиальной разницы между вечным движением небесных тел и связанных с ним явлений (например, морских приливов) и тем движением, посредством которого они хотели производить работу в двигателях. Как это ни покажется странным теперь, вопрос о том, откуда должна была взяться эта работа, тогда вообще не возникал. Только примерно в XVI веке, когда постепенно начала формироваться мысль о некой «силе» как источнике движения и о том, что эта сила не может ни возникнуть из ничего, ни исчезнуть бесследно, появились сомнения в возможности, а затем и убеждения в невозможности perpetuum mobile. Однако, как мы увидим далее, этого мнения придерживался очень небольшой круг квалифицированных ученых-физиков и механиков. Все же официальным решением Парижской академии наук в 1775 году было прекращено рассмотрение любых проектов perpetuum mobile.
Второй период продолжался примерно до последней четверти XIX века. За это время было определено понятие энергии и закон ее сохранения получил окончательное научное оформление. Были заложены основы термодинамики — науки об энергии и о ее превращениях. Однако усилия изобретателей, работающих над различными вариантами perpetuum mobile, нисколько не ослабели.
Создалась интересная ситуация — сосуществование науки и антинаучной изобретательской деятельности. Этот парадокс объяснялся, с одной стороны, возросшими требованиями к энергетике, и с другой — тем, что первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) не был еще достаточно хорошо известен широкому кругу людей, занимавшихся техникой.
На этом, по существу, заканчивается история так называемого вечного двигателя первого рода, изобретатели которого пытались нарушить первый закон термодинамики. Напомним, что он требует, чтобы общее количество энергии, поступающей в двигатель, было в точности равно общему количеству выходящей из него; энергия не может исчезать и возникать из ничего. А perpetuum mobile-1 производил бы работу, вообще не получая энергию извне!
Третий период развития perpetuum mobile продолжается и теперь. Этот период характерен тем, что современные изобретатели perpetuum mobile, в отличие от своих коллег, работавших!в предыдущие времена, знают о существовании научных законов, исключающих его создания. Поэтому они пытаются создать perpetuum mobile совсем другого рода. Такой вечный двигатель не должен нарушать закон сохранения энергии — первый закон термодинамики. Здесь все в порядке. Но он должен действовать вопреки второму закону термодинамики. Этот закон определенным образом ограничивает превращаемость одних форм энергии в другие. Такой двигатель, в отличие от предшествующих ему вариантов perpetuum mobile-1, относящихся к первым двум периодам, был назван вечным двигателем второго рода — perpetuum mobile-2.
Простейшим perpetuum mobile-2 был бы такой, который, получая тепло от окружающей среды (например, от воды или атмосферного воздуха), полностью или частично превращал бы его в работу. Он позволил бы обойтись не только без затраты органического или ядерного топлива, но и без загрязнения окружающей среды.
Можно подсчитать, что при охлаждении мирового океана только на один градус Цельсия можно получить энергию, достаточную для обеспечения всех потребностей человечества при современном уровне ее потребления на 14000 лет. Но второй закон термодинамики это превращение запрещает.
Поскольку этот закон известен и существует, изобретателям perpetuum mobile-2 не остается ничего другого, как бороться именно с ним. Эта борьба вокруг второго закона термодинамики составляет, по существу, основное содержание третьего периода истории perpetuum mobile.
На начальном этапе истории perpetuum mobile дискуссии вокруг него способствовали в определенной степени прогрессу физики, а на последнем этапе — и развитию термодинамики, и прогрессу энергетики. Более того, оба закона термодинамики родились из положения о невозможности существования вечного двигателя. В целом эти этапы истории perpetuum mobile можно характеризовать как движение от утопии к науке. В конечном счете, сам вечный двигатель породил, если так можно выразиться, те фундаментальные научные положения, которые вырвали из-под него почву и обусловили конец его многовековой истории.
Теперешний этап истории вечного двигателя характеризуется попытками продвинуться в обратном направлении — от науки к утопии.
Чтобы разобраться во всех этапах истории perpetuum mobile и двинуться дальше, надо обязательно сформулировать определение того о чем пойдет речь. Итак, вечный двигатель — это воображаемое устройство, способное производить работу в нарушение первого или второго законов термодинамики.
Первые проекты механических, магнитных и гидравлических perpetuum mobile.
Сейчас трудно установить, когда, где и кем был предложен первый проект perpetuum mobile. Есть данные о том, что в трактате великого индийского математика Бхаскара Ачарья (1114-1185 гг.) «Сиддханта Сиромани» (ок. 1150 г.) есть упоминание о perpetuum mobile. Об этом же говорится в сочинении араба Фахра ад-дин-Ридваи бен Мохаммеда (ок. 1200 г.).
В Европе первые известия о perpetuum mobile связаны с именем одного из выдающихся людей XIII века — Виллара д’Оннекура — французского архитектора и инженера.
Как и большинство деятелей того времени, он занимался и интересовался многими делами: строительством соборов, созданием грузоподъемных сооружений, пилы с водяным приводом, военной стенобитной машины и даже … дрессировкой львов. Он оставил дошедшую до наших дней «Книгу рисунков» — альбом с записями и чертежами (ок. 1235-1240 гг.), которая хранится в парижской национальной библиотеке. Для нас представляет интерес прежде всего то обстоятельство, что в этом альбоме приведен рисунок и описание первого из достостоверно известных проектов perpetuum mobile.
М
Груз Стержень
Модель вечного двигателя Оннекура.
акет чертежа показан на рисунке. Текст, относя-щ
ийся
к чертежу, гласит: «С некоторого времени
мастера
спорят, как можно было бы заставить колесо вращаться са-
м
о
собой. Этого можно достигнуть посредством
нечетного
ч
исла
молоточков следующим образом» (следует
рисунок).
Д’Онекур
не пишет, сам он придумал двигатель или
З
аимствовал
эту идею у другого мастера. Да это и не
так
Важно.
Главное — существо дела. Обратим прежде
всего
внимание на то, что автор совершенно не сомневается, что
заставить колесо вращаться само собой можно. Вопрос
только в том, как это сделать. Из текста в сочетании с
рисунком идею изобретения можно понять. Поскольку
число молоточков на ободе колеса нечетное, всегда с одной стороны их будет больше, чем с другой. В данном случае слева будет два молоточка, а справа — три. Следовательно, правая сторона колеса будет тяжелее левой, естественно, колесо повернется по направлению часовой стрелки. Тогда следующий молоточек повернется в том же направлении и перекинется на правую сторону, снова обеспечивая ее перевес. Таким образом, колесо будет постоянно вращаться.
Идея колеса с грузами или тяжелой жидкостью, неравномерно распределенными по окружности колеса, оказалась очень живучей. Она разрабатывалась в самых различных вариантах многими изобретателями в течение почти шести веков и породила целый ряд механических perpetuum mobile.
Обратимся ко второй, не менее интересной идее perpetuum mobile, возникшей тоже в XIII веке и также породившей большую серию изобретений. Речь идет о магнитном вечном двигателе, предположенном Петром Пилигримом из Мерикура в 1269 году. В отличие от практика-инженера д’Оннекура Петр Пилигримом все же был больше «теоретиком», хотя занимался и экспериментами; поэтому его проект выглядит скорее как принципиальная схема, чем как чертеж.
По мнению Петра, таинственные силы, заставляющие магнит притягивать железо, родственны тем, которые заставляют небесные тела двигаться по круговым орбитам вокруг земли (в то время господствовала геоцентрическая система мира Птолемея). Следовательно, если дать магниту возможность двигаться по кругу и не мешать ему, то он при соответствующей конструкции реализует эту возможность. Двигатель состоит из двух частей — подвижной и неподвижной. Подвижная часть — это стержень, на одном (внешнем) конце которого закреплен магнит, а другой (внутренний) насажен на неподвижную центральную ось. Таким образом, стержень может двигаться по окружности подобно стрелке часов. Подвижная часть представляет собой два кольца — наружное и внутреннее, между которыми находится магнитный материал с внутренней поверхностью в форме косых зубцов. На подвижном магните, установленном на стержне, написано «северный полюс», на магнитном кольце — «южный полюс». Отметим, кстати, что Пилигрим первым установил два вида магнитного взаимодействия — притяжение и отталкивание и ввел обозначения полюсов магнита — северный и южный.
Автор, по-видимому, полагал, что магнит, установленный на стержне, будет поочередно притягиваться к зубцам магнитов, установленных в кольцевой части, и таким образом совершать непрерывное движение по окружности.
Несмотря на явную неработоспособность такого устройства, сама идея воспользоваться магнитными силами для создания двигателя была совершенно новой и очень интересной. Она породила в дальнейшем целое семейство магнитных вечных двигателей. В конечном счете, не нужно забывать, что современный электродвигатель работает на магнитном взаимодействии статора и ротора.
Несколько позже появились и вечные двигатели третьего вида — гидравлические. Идеи, положенные в их основу, не были столь новыми; они опирались на опыт античных водоподъемных сооружений и средневековых водяных мельниц.
Механические вечные двигатели.
Все механические вечные двигатели средневековья основаны на одной и той же идее, идущей от д'Онекура: создании постоянного неравновесия сил тяжести на колесе или другом постоянно движущемся под их действием устройстве. Это неравновесие должно вращать колесо двигателя, а от него приводить в действие машину, выполняющую полезную работу.
Все такие двигатели можно разделить на две группы, отличающиеся видом груза— рабочего тела. К первой группе относятся тем, в которых используются грузы из твердого материала, ко второй — те, в которых грузом служат жидкости. Количество разных вариантов perpetuum mobile в обеих группах огромно.
Начнем с двигателей первой группы. Итальянский инженер Мариано ди Жакопо из Сиены (недалеко от Флоренции) в рукописи, датируемой 1438 годом, описал двигатель, повторяющий по существу идею д'Онекура. Грузы, представляющие собой уолстые прямоугольные пластины, закреплены так, что могут откидываться только в одну сторону. Число их нечетно; поэтому с одной стороны при любом положении их будет больше, чем с другой. Это и должно вызвать непрерывное вращение колеса.
Англичанин Эдуард Соммерсет, тоже разработавший механический вечный двигатель в виде колеса с твердыми грузами и в 1620 году построивший его, принадлежал в отличие от своих предшественников к самым аристократическим кругам общества. Он носил титул маркиза Вустерширского и был придворным короля Карла I. это не мешало ему серьезно заниматься механикой и разными техническими проектами. Эксперимент по созданию двигателя был поставлен с размахом. Мастера изготовили колеса диаметром 14 футов (около 4 м); по его периметру было размещено 14 грузов по 50 фунтов (около 25 кг) каждый. Испытание машины в лондонском Тауэре прошло с блеском и вызвало восторг у присутствующих, среди которых были такие авторитеты, как сам король, герцог Ричмондский и герцог Гамильтон. К сожалению, чертежи этого perpetuum mobile до нас не дошли, так же как и технический отчет об этом испытании; поэтому установить, как оно проходило по существу, нельзя. Известно только, что в дальнейшем маркиз этим двигателем больше не занимался, а перешел к другим проектам.
Аллесандро Капра из Кремоны (Италия) описал еще один вариант вечного двигателя в виде колеса с грузами. Двигатель представлял собой колесо с 18 расположенными по окружности равными грузами. Каждый рычаг, на котором закреплен груз, снабжен опорной деталью, установленной под углом 90˚ к рычагу. Поэтому грузы на одной стороне колеса, находящиеся по горизонтали на большем расстоянии от оси, чем с другой, должны всегда поворачивать его и заставлять непрерывно вращаться.
Жидкостные вечные двигатели принципиально ничем не отличаются от описанных ранее perpetuum mobile первой группы. Разница состоит только в том, что вместо перемещающихся относительно колеса грузов используется жидкость, переливающаяся при его вращении так, чтобы ее центр тяжести перемещался в нужном направлении.
Все такие двигатели в разных видах развивали идею индийца Бхакскара (1150 г.). По описанию можно представить лишь принципиальную схему двигателя. На окружности колеса под определенным углом к его радиусам закреплены на равных расстояниях замкнутые трубки, создавая таким образом разницу веса в правой и левой частей колеса.
Все последующие проекты механических perpetuum mobile как с жидкими, так и с твердыми грузами, в сущности, повторяли одну и ту же идею: создать так или иначе постоянный перевес одной стороны колеса над другой и тем заставить его непрерывно вращаться.
Была даже идея заставить колесо катиться, сделав его в виде барабана, разделенного вертикальной перегородкой. По обе стороны должны были быть залиты две жидкости разной плотности (например, вода и ртуть). Автор этой идеи Клеменс Септимус был учеником Галилея. Описание этого двигателя помещено в книге известного физика Джиованни Альфонсо Борелли (1608-1679 гг.), члена Флорентийской академии. Любопытно, что в комментариях Борелли доказывал неработоспособность этого двигателя. Он считал, что нет никаких причин, чтобы барабан Септимуса катился; если бы он и сдвинулся, то достиг бы положения равновесия и остановился. Основанием для такого утверждения служила мысль о том, что сила тяжести, действующая одинаково на все части устройства, не может стать причиной постоянного нарушения равновесия. Сила тяжести не может производить работу, передаваемую какой-либо машине, которая ее использует.
Пока изобретатели механических perpetuum mobile ломали головы над очередными вариантами своих машин, постепенно развивалась механика. Она вырабатывала новые представления, которые шли дальше античной механики и позволяли количественно точно определить результат одновременного действия на тело нескольких сил. Тем самым новая наука подрывала «под корень» идейную базу механических вечных двигателей. Действительно, если выработано четкое правило, как подсчитать результат действия сил, прилагаемых к колесу вечного двигателя, то всегда легко определить, будет колесо в равновесии или нет. В первом случае двигатель работать не сможет. Если же, напротив, будет доказано, что неравновесие будет существовать постоянно, то вечный двигатель может существовать. Дело, таким образом, сводилось к установлению соответствующего закона механики (точнее, ее раздела — статики).
Первый
шаг в этом направлении сделал, по-видимому,
Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.). В рукописи
1515 года он ввел понятие, которое теперь
называется в механике «моментом силы».
Со времен Архимеда был известен закон,
который определял условие равновесия
прямого рычага. Он составлял содержание
VI теоремы Архимеда из
сочинения по механике: «Два соизмеримых
груза находятся в равновесии, если они
обратно пропорциональны плечам, на
которые эти грузы подвешены». Другими
словами если вес изобразить в виде
отрезков А и В соответствующих
направлений и длины от какой-либо точки
О, то условие равновесия будет таким:
,
или, то же самое,
.
При
всей важности закон рычага Архимеда не
мог быть использован для анализа
равновесия механического perpetuum
mobile. Дело в том, что для такого анализа
нужно было уметь определять равновесие
и для случая, когда сила веса груза
направлена не под прямым углом к рычагу,
а под любым углом — острым или тупым. В
данном случае равновесие наступит при
соблюдении равенства
,
где
и
— проекции соответственно рычагов Оа
и Ob на горизонтальную
ось. Для проверки возможностей любого
механического perpetuum mobile нужно
сложить все моменты сил, расположенных
справа от оси О, и то же проделать
с моментами сил грузов, расположенных
слева. Первые стремятся повернуть колесо
по часовой стрелке, вторые — против.
Если общая сумма моментов сил будет
равна нулю, то колесо не движется —
наступит равновесие.
Таким образом легко показать, что, несмотря на все ухищрения, сумма моментов сил у всех механических perpetuum mobile равна нулю. Леонардо да Винчи понимал это очень четко. Стоит только вспомнить слпва из одной его записи по поводу вечных двигателей: «Искатели вечного движения, какое количество пустейших замыслов пустили вы в мир!»
К сожалению, записи Леонардо да Винчи остались не известными ни его современникам, ни ближайшим потомкам. Только с конца XVIII века началась планомерная расшифровка его тетрадей.
Магнитные вечные двигатели.
Первым известным магнитным вечным двигателем была машина Петра Пилигрима (1269 г.), уже описанная ранее.
Новые виды магнитных вечных двигателей, появившихся позже, основывались также как и первый, на аналогии между силой тяжести и силой притяжения магнита.
Такая аналогия была совершенно естественна; она подкреплялась общефилософскими соображениями; кроме того, силу притяжения магнита можно было непосредственно сравнить с силой тяжести.
Действительно, если на одну чашу весов положить кусок железа, а на другую — равную по весу гирю, то, воздействуя снизу на железо магнитом, можно определить его силу. Для этого нужно вновь уравновесить весы, добавочный груз будет равен силе притяжения магнита. Такое измерение произвел Николай Кербс (1401-1464 гг.), известный под именем Николая Кузанского. Именно совместное действие двух тождественных сил — магнита и тяжести — служило основой почти всех предложенных после Петра Пилигрима магнитных perpetuum mobile.
Л
F
I G
H
Магнитный вечный двигатель А.Кирхера
юбопытный магнитный вечный двигательП
редложил
любитель науки, изобретатель и кол-
л
екционер,
иезуит Анастасиус Кирхер (1602-
1
680
гг.). его двигатель предельно прост. Как
вид-
н
о
из рисунка, он состоит из железного
круга
(
черный
на рисунке), на котором радиально распо-
ложены направленные наружу железные стрелы.
Этот круг должен вращаться под действием четы-
рех
магнитов I,
F, G,
H,
расположенных на внеш-
нем кольце.
Почему Кирхер решил, что круг со стрела-
ми будет вращаться, совершенно непонятно. Все
предыдущие изобретатели таких кольцевых двига-
телей пытались создать какую-то асимметрию, чтобы вызвать силу, направленную по касательной. У Кирхера таких мыслей не возникло. Он мыслит еще в совершенно средневековом духе. Он даже серьезно утверждал, что притягательная сила магнита увеличится, если его поместить между двумя листьями растения Isatis Sylvatica.
Более интересный и оригинальный магнитный вечный двигатель описал в соей книге «Сотня изобретений» (1649 г.) Джон Уилкинс. К шаровому магниту, расположенному на стойке, ведут два наклонных желоба: один прямой, установленный выше, другой изогнутый вниз, установленный под прямым. Изобретатель считал, что железный шарик, помещенный на верхний желоб, покатится вверх, притягиваемый магнитом. Но так как перед магнитом в верхнем желобе сделано отверстие, шарик провалится в него, скатится по нижнему желобу и через изогнутую часть снова выскочит наверх и двинется к магниту и так далее до бесконечности.
Уилкинс, который хорошо разбирался в принципиальных вопросах механических perpetuum mobile, оказался на высоте и в этом случае. Закончив описание этой конструкции, он пишет: «Хотя это изобретение на первый взгляд кажется возможным, детальное обсуждение покажет его несостоятельность». Основная мысль Уилкинса в этом обсуждении сводится к тому, сто если даже магнит достаточно силен, чтобы притянуть шарик от нижней точки, то он тем более не даст ему провалиться через отверстие, расположенное совсем рядом. Если же, наоборот, сила притяжения будет недостаточна, то шарик просто на будет притягиваться. В принципе объяснение Уилкинса правильное; характерно, что он четко представляет себе, как быстро уменьшается сила притяжения магнита с увеличением расстояния до него.
Возможно, Уилкинс учел и взгляды знаменитого Уильяма Гильберта (1544-1603 гг.) — придворного врача королевы Елизаветы Английской, который тоже не поддержал идею этого вечного двигателя.
В книге Гильберта «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле» (1600 г.) не только дана сводка уже известных к тому времени сведений о магнетизме, но и описаны новые результаты, полученные в многочисленных экспериментах.
В XX веке была все же найдена возможность осуществить устройство с шариком, «вечно» бегущим по двум желобам, в точности соответствующее по внешнему виду магнитному вечному двигателю, описанному Уилкинсом. Вносятся лишь небольшие изменения в модель Уилкинса. Верхний желоб изготовляется из двух электрически изолированных одна от другой металлических полос, а вместо постоянного магнита на стойке устанавливается электромагнит. Обмотка электромагнита присоединена к аккумулятору или другому источнику питания так, чтобы цепь замыкалась через железный шарик, когда он находился на верхнем желобе, касаясь обеих его полос. Тогда электромагнит притягивает шарик. Докатившись до отверстия, шарик размыкает цепь, проваливается и скатывается по нижнему желобу, возвращаясь по инерции на верхний желоб, и так далее. Если спрятать аккумулятор в стойку (или незаметно провести через нее провода для питания электромагнита извне), а сам электромагнит поместить в шаровой футляр, то можно считать. Что действующий perpetuum mobile готов. На тех, кто не знает секрета, он производит большое впечатление.
Нетрудно видеть, что в такой игрушке как раз устранен тот недостаток, на который показывал Уилкинс,— возможность того, что шарик притянется к магниту и не провалится в отверстие. Магнит перестает действовать как раз в тот момент, когда шарик должен провалиться в отверстие, и снова включается тогда, когда нужно тянуть шарик вверх.
Для современного человека секрет лежит на поверхности — по такому же принципу работают все электроприборы, — работа, совершаемая электрическим током, переходит в механическую или другую (всегда даже с потерями какой-либо ее части) — значит, их тоже можно считать «вечными» двигателями.
В дальнейшем были предложены и многие другие магнитные perpetuum mobile, в том числе и довольно замысловатые; некоторые из них были построены, но их постигла та же судьба, что и остальные. Идея одного из таких построенных магнитных двигателей была выдвинута уже в конце XVIII века. Некий шотландский сапожный мастер по фамилии Спенс нашел такое вещество, которое экранировало притягивающую и отталкивающую силу магнита. Известно даже, что оно было черного цвета. С помощью этого вещества Спенс обеспечил работу двух изготовленных им магнитных вечных двигателей.
Успехи Спенса были описаны шотландским физиком Дэвидом Брюстером (1781-1868 гг.) в серьезном французском журнале «Анналы физики и химии» в 1818 году. Нашлись даже очевидцы: в статье написано, сто «мистер Плейфер и капитан Кейфер осмотрели обе эти машины (они были выставлены в Эдинбурге) и вызвали удовлетворение тем, что проблема вечного двигателя, наконец, решена».
Нужно отметить, что в части открытия вещества, экранирующего магнитное поле, Спенс ничего особенного не сделал и его «черный порошок» для этого не нужен. Хорошо известно, что для этого достаточно листа железа, которым можно заслонить магнитное поле. Другое дело создать таким путем вечный двигатель, поскольку для движения листа, экранирующего магнитное поле, нужно в лучшем случае затратить столько же работы, сколько даст магнитный двигатель.
Общее количество магнитных вечных двигателей все же было меньше, чем механических и особенно гидравлических. К последним мы и перейдем.
Гидравлические вечные двигатели.
Большое внимание, которое уделяли изобретатели вечных двигателей попыткам использовать для них гидравлику, конечно, не случайно.
Хорошо известно, что гидравлические двигатели были широко распространены в средневековой Европе. Водяное колесо служило, по существу, основной базой энергетики средневекового производства вплоть до XVIII века.
В Англии, например, по земельной описи было 5000 водяных мельниц. Но водяное колесо применялось не только в мельницах; постепенно его стали использовать и для привода молота в кузницах, ворота, дробилки, воздуходувных мехов, станков, лесопильных рам и так далее. Однако «водяная энергетика» была привязана к определенным местам рек. Между тем техника требовала двигатель, который мог бы работать везде, где он нужен. Совершенно естественной поэтому была мысль о водяном двигателе не зависимом от реки, действительно половина дела — использовать напор воды — была ясна. Тут накопился достаточный опыт. Оставалась другая половина — создать такой напор искусственно.
Способы непрерывно подавать воду снизу вверх были известны еще с античных времен. Самым совершенным из нужных для этого устройств был архимедов винт. Если соединить такой насос с водяным колесом, цикл замкнется. Надо только для начала залить водой бассейн наверху. Вода, стекая из него, будет крутить колесо, а насос, приводимый от него, снова подаст воду вверх. Таким образом, получается гидравлический двигатель, работающий, так сказать, «на самообслуживании». Никакой реки ему не нужно; он сам создаст необходимый напор и одновременно приведет в движение мельницу или станок.
Для инженера того времени, когда понятия об энергии и законе ее сохранения еще не было, в такой идее не было ничего странного. Множество изобретателей работало, пытаясь воплотить ее в жизнь. Только некоторые умы понимали, что это невозможно; одним из первых среди них был универсальный гений — Леонардо да Винчи. В его тетрадях был найден эскиз гидравлического вечного двигателя. Машина состоит йз двух, связанных между собой устройств А и В, между которыми установлена чаша, заполняемая водой. Устройство А представляет собой архимедов винт, подающий воду из нижнего резервуара в чашу. Устройство В вращается, приводимое в движение водой, сливающейся из чаши, и крутит насос А — архимедов винт; отработавшая вода сливается снова в резервуар.
Леонардо вместо известного в то время водяного насоса употребил водяную турбину, сделав мимоходом одно из своих изобретений. Эта турбина В — обращенный насос — архимедов винт. Леонардо понял, что если лить на него воду, то он будет вращаться сам, превратившись из водяного насоса в турбину.
В отличие от современных ему и будущих изобретателей гидравлических вечных двигателей такого типа (водяной двигатель + водяной насос) Леонардо знал, что он работать не сможет. Воду, в которой нет разности уровней, он назвал очень образно и точно «мертвой водой» (aqua morta). Он понимал, что падающая вода может в идеальном случае поднять то же воды на прежний уровень и только; никакой дополнительной работы она произвести не может. Для реальных условий проведенные им же исследования трения дали основание считать, что и этого не будет, так как «от усилия машины надо отнять то, что теряется от трения в опорах». И Леонардо выносит окончательный приговор: «невозможно привести мельницы в движение посредством мертвой воды».
Эта идея о невозможности получения мертвой воды «из ничего» была развита потом Р. Декартом и другими мыслителями; в конечном итоге она привела к установлению всеобщего закона сохранения энергии. Но все это произошло намного позже. Пока же изобретатели гидравлических perpetuum mobile разрабатывали все новые их варианты, объясняя каждый раз свои неудачи теми или иными частными недоработками.
Одно из ухищрений, призванных обойти трудности конструирования гидравлического вечного двигателя, состояло в том, чтобы заставить воду подниматься (или сливаться) в меньшем перепаде высот. Для этого предусматривалась каскадная система из нескольких последовательно соединенных насосов и рабочих колес. Такая машина описана в книге уже известного нам Д. Уилкинса. Подъем воды осуществляется винтовым насосом, состоящим из наклонной трубы, в которой вращается ротор. Он приводится в движение тремя рабочими колесами, вода на которые подается из трех расположенных каскадом сосудов. В оценке этого двигателя Уилкинс, как и в описанных ранее случаях, оказался на высоте. Он не только отверг этот двигатель из общих соображений, но даже подсчитал, что для вращения спирали нужно «втрое больше воды для вращения, чем то количество, которое она подает наверх».
Отметим, что Уилкинс, как и многие его современники, начал заниматься механикой и гидравликой с попыток изобрести вечный двигатель. Еще один пример стимулирующего действия perpetuum mobile-1 на науку того времени.
Уилкинс также дал первую классификацию способов построения вечных двигателей:
1). С помощью химической экстракции (эти проекты до нас не дошли);
2). С помощью свойств магнита;
3). С помощью сил тяжести.
Гидравлические вечные двигатели он относил к третьей группе.
В итоге Уилкинс написал четко и однозначно: «Я пришел к выводу, что это устройство не способно работать». Этот любитель науки дал в XVII веке достойный пример того, как надо преодолевать заблуждения и находить истину.
Среди других гидравлических вечных двигателей следует отметить машину польского иезуита Станислава Сольского, который для приведения в движение рабочего колеса использовал ведро с водой. В верхней точке насос наполнял ведро, оно опускалось, вращая колесо, в нижней точке опрокидывалось и пустое поднималось вверх; затем процесс повторялся. Королю Казимиру эта машина, когда Станислав Сольский ее демонстрировал в Варшаве (1661 г.), очень понравилась. Однако даже светские успехи титулованных изобретателей не могли скрыть того факта, что гидравлические вечные двигатели системы «насос — водяное колесо» на практике не работали. Нужны были новые идеи, используя которые, можно было бы поднять воду с нижнего уровня на верхний без затраты работы, не применяя механический насос. И такие идеи появились — как на основе использованных уже известных явлений, так и в связи с новыми физическими открытиями.
Первая из идей, о которой нужно вспомнить, — использование сифона. Это устройство, известное еще с античных времен (оно упоминается у Герона Александрийского), использовалось для переливания жидкости из сосуда, расположенного выше, в другой, расположенный ниже. Принцип работы его такой: два сосуда, находящихся на разных уровнях, соединяют трубкой, состоящей из двух колен, одно из которых (верхнее) меньше другого (нижнего). Преимущество такого простого устройства, используемого и до сих пор, заключается в том, что можно отбирать жидкость из верхнего сосуда сверху, не делая отверстия в его дне или стенке. Единственное условие работы сифона — полное предварительное заполнение трубки жидкостью. Поскольку между верхним и нижним сосудом существует разность уровней, жидкость будет самотеком переливаться из верхнего сосуда в нижний.
Возникает вопрос — как же можно использовать сифон для подъема воды, если его назначение обратное — слив воды? Однако именно такая парадоксальная идея была выдвинута около 1600 г. и описана в книге «Новый театр машин и сооружений» (1607 г.) городским архитектором города Падуи (Италия) Витторио Зонка. Она заключалась в том, чтобы сделать короткое верхнее колено сифона толще — больше по диаметру (D>>d). В этом случае, считал Зонка, вода в левом, толстом колене несмотря на его меньшую высоту перевесит воду в тонком колене и сифон потянет ее в противоположном направлении — из нижнего сосуда в верхний. Он писал: «Сила, которая проявляется в толстом колене, будет тянуть то, что входит через более узкое колено». На этом принципе и должен был работать вечный двигатель Зонки. Сифон забирал воду из нижнего водоема в узкую трубу; вода из широкой трубы сливалась в сосуд, расположенный выше водоема, откуда она подавалась на водяное колесо и сливалась снова в водоем. Колесо через вал вращало мельничий жернов.
Эта оригинальная машина, естественно, работать не могла, так как по законам гидравлики направление движения жидкости в сифоне зависит только от высот столбов жидкости и не зависит от их диаметра. Однако во времена Зонки об этом четкого представления у практиков не было, хотя уже в работах Стевина по гидравлике вопрос о давлении в жидкости был решен. Он показал (1586 г.) «гидростатический парадокс» — давление жидкости зависит только от высоты ее столба, а не от ее количества. Широко известным это положение стало позже, когда аналогичные опыты были вновь и более широко поставлены Блезом Паскалем (1623-1662 гг.), но и они не были поняты многими инженерами и учеными, по-прежнему считавшими, что чем шире сосуд, тем больше давление содержащейся в нем жидкости. Жертвами подобных заблуждений были иногда даже люди, работавшие на самом переднем крае современной им науки и техники. Примером может служить Дени Папин (1647-1714 гг.) — изобретатель не только «папинова котла» и предохранительного клапана, но и центробежного насоса, а главное первых перовых машин с цилиндром и поршнем. Папин даже установил зависимость давления пара о температуры и показал, как получать на основе ее вакуум, и повышенное давление. Он был учеником Гюйгенса, переписывался с Лейбницем и другими крупными учеными своего времени, состоял членом английского Королевского общества и Академии наук в Неаполе. И вот такой человек, который по праву считается крупным физиком и одним из основоположником современной теплоэнергетики, работает над вечным двигателем! Более того, он предлагает такой perpetuum mobile, ошибочность принципа которого была совершенно очевидна и современной ему науке. Он публикует этот проект в журнале «Философские труды» (Лондон, 1685 г.).
Идея вечного двигателя Папина очень проста — это по существу перевернутая «вверх ногами» труба Зонки. Из широкого сосуда выходит тонкая трубка, конец которой расположен сверху над сосудом. Папин полагал, что, поскольку в широком сосуде вес воды больше, его сила должна превосходить силу веса узкого столба в тонкой трубке, вода будет постоянно сливаться из конца тонкой трубки в широкий сосуд. Остается только подставить под струю водяное колесо и вечный двигатель готов!
Очевидно, что на самом деле так не получится; поверхность жидкости в тонкой трубке установится на том же уровне, что и в сосуде, как в любых сообщающихся сосудах.
Судьба этой идеи Папина была той же, что и других вариантов гидравлических вечных двигателей. Автор к ней больше не возвращался, занявшись более полезным делом — паровой машиной.
В дальнейшем было предложено еще много гидравлических вечных двигателей и с другими способами подъема воды, в частности капиллярных и фитильных. В них предлагалось жидкость поднимать из нижнего сосуда в верхний по смачиваемому капилляру. Действительно, поднять жидкость на определенную высоту таким путем можно, но те же силы поверхностного натяжения, которые обусловили подъем, не дадут жидкости стекать с капилляра в верхний сосуд.
Основная идея вечных двигателей второго рода.
Утверждение закона сохранения энергии — первого закона термодинамики — сделало попытки создать perpetuum mobime-1 абсолютно безнадежным занятием. И хотя они все еще продолжаются, «генеральное направление» мыслей создателей вечных двигателей изменилось. Новые варианты вечных двигателей рождаются уже в полном согласии с первым началом термодинамики; сколько энергии поступает в такой двигатель, ровно столько же и выходит. Эти двигатели даже называют иначе, чтобы избежать термина «вечный двигатель».
Тем не менее, несмотря на согласие с первым законом и маскирующие названия, эти двигатели остаются типичными perpetuum mobile и сохраняют их основной признак — абсолютную невозможность осуществления.
Дело в том, что соблюдение какого-0либо одного, даже очень важного закона вовсе не гарантирует возможность того или иного явления. Каждое из них определяется несколькими законами. Поэтому оно может происходить только в том случае, если не нарушает ни одного из тех законов, которые к нему относятся.
В частности, для любых тепловых машин соблюдение первого начала термодинамики необходимо, но не достаточно. Существует еще и второе начало термодинамики, соблюдение требований которого столь же обязательно. Новые вечные двигатели, о которых пойдет речь ниже, относятся именно к тепловым машинам; они могли бы работать, только нарушая ограничения, полагаемые вторым законом термодинамики. Поэтому такой двигатель и был назван «вечный двигатель второго рода». Впервые этот термин ввел известный физико-химик В.Оствальд в 1982 году по аналогии со старым классическим perpetuum mobile-1.
Кто придумал первый perpetuum mobile-2, установить трудно; во всяком случае, они появились не ранее последней четверти XIX века. В принципах вечных двигателей второго рода нет такого разнообразия, как в принципах создания вечного двигателя первого рода. Основная идея perpetuum mobile-2 едина для всех самых разнообразных проектов.
Ведущий идеолог данного направления профессор В.К.Ощепков ставит задачу таким образом: «…отыскать такие процессы, которые позволили бы осуществить прямое и непосредственное преобразование тепловой энергии окружающего пространства в энергию электрическую. В этом я вижу величайшую проблему современности». И далее: «…открытие способов искусственного сосредоточения, концентрации рассеянной энергии с целью придания ей вновь активных форм будет таким открытием в истории развития материальной культуры человечества, что … можно сравнить разве только с открытием первобытным человеком способов искусственного добывания огня».
Если вникнуть в существо перспектив рассматриваемой идеи, то она сводится к тому, что рассеянная «тепловая энергия» окружающего пространства «извлекается», концентрируется и превращается в электрическую энергию, способную производить работу. Нарушения первого закона термодинамики здесь нет. Сколько энергии забирается из «окружающего пространства», столько и превращается в электроэнергию.
Такая идея, действительно, чрезвычайно заманчива. «Концентрированная» энергия использовалась бы для нужд человечества, «рассеивалась» бы при этом в окружающей среде, а затем ее можно было бы снова «концентрировать» и пускать в дело. В энергетике человечества осуществился бы вечный круговорот энергии, который позволил бы сразу «убить двух зайцев» — снять как проблему поиска источников энергии, так и проблему теплового, химического и радиационного загрязнения окружающей природы.
Чтобы проанализировать все стороны этой грандиозной идеи научно, нужно прежде всего уточнить используемую ее авторами терминологию, перевести ее на современный научный язык.
Прежде всего отметим, что «окружающее пространство» само по себе энергии не содержит. Энергия содержится только в материальной среде (веществе или поле), заполняющей это пространство. Поэтому правильно было бы говорить «окружающая среда». Но и такая формулировка тоже не годится. Термин «окружающая среда» имеет разное содержание в зависимости от того, как его использовать. Здесь могут быть два случая.
В первом случае под окружающей средой понимают все то, что находится вне границ системы (в данном случае двигателя). Это означает, что в окружающую среду входят по крайней мере атмосфера, гидросфера и литосфера земли, в которых существуют разности давления, температур и химического состава. Следовательно, она включает и запасы топлива, гидроэнергетические ресурсы и так далее. Другими словами в окружающей среде, определяемой таким образом, нет равновесия.
Используя неравновесность в окружающей среде, человек всегда получал необходимую ему энергию как в форме теплоты, так и в форме работы. Если бы эта среда была равновесной, то есть вся имела бы один и тот же усредненный и равномерно распределенный химический состав, одну и ту же температуру, одно давление, один уровень воды, одинаковый везде электрический заряд и так далее, то все кругом было бы мертво и неподвижно. Именно неравновесность, наличие разности потенциалов во внешней среде и определяют возможность существования всей энергетики.
При такой трактовке термина «окружающая среда» извлечение из нее энергии и превращение ее в работу или электроэнергию давно известно. Ничего нового в таких процессах нет: так всегда и делалось.
Во втором случае под окружающей средой понимают только равновесную часть всего окружения системы. Основанием для введения такого более узкого, локального понятия служит то, что в окружении системы всегда имеется в практически неограниченном количестве некая среда, имеющая одни и те же температуру, давление и химический состав. Примером такой среды может служить, например, вода у поверхности океанов, морей, других больших водоемов или атмосферный воздух у поверхности земли. Существующие в них некоторые небольшие разности потенциалов в круг рассмотрения не входят.
Такая равновесная окружающая среда, как показывает многовековой опыт человечества, не может служить источником энергии, поскольку никаких разностей потенциалов, неравновесностей, которые можно было бы использовать, в ней нет. Она ведет себя, как та «мертвая вода» без разницы уровней, о которой писал Леонардо да Винчи.
Наконец, о первой части выражения «тепловая энергия окружающего пространства». Поскольку теплота есть энергия только в процессе перехода, говорить о «тепловой энергии», да еще «содержащейся» в окружающей среде, некорректно. Энергия теплового движения частиц составляет часть внутренней энергии тела, причем выделить ее «в чистом виде» практически невозможно. Поэтому в науке пользуются термином «внутренняя энергия».
Разберем понятия «концентрация» и соответственно «рассеяние» энергии.
Концентрация — это понятие, связанное с сосредоточением чего-либо в определенном месте (объеме или поверхности). Применимо к энергии это соответствует ее количеству, приходящемуся на единицу объема или поверхности (Дж/м3 или Дж/м2). Если это количество растет, говорят о концентрировании энергии, если падает — о ее рассеянии.
Сторонники perpetuum mobile-2 используют этот термин в смысле, не имеющим отношения к действительному ее содержанию. Они называют «концентрированной» энергией электрическую энергию и работу, а «рассеянной» — внутреннюю энергию тел и теплоту. Однако разница в них не в концентрации, а в степени упорядоченности, организованности движения частиц. Именно эта упорядоченность и определяет в основном качественную сторону энергии, ее работоспособность.
Теперь, после уточнения всех терминов, мы можем вернуться к принципиальным основам perpetuum mobile-2. Становится очевидным, что его идея основана на получении работы из равновесной окружающей среды путем использования той части ее внутренней энергии, которая связана с хаотическим тепловым движением молекул.
В.К.Ощепков назвал такой процесс ученым термином «энергетическая инверсия» (инверсия — от лат. inversio — «перестановка», «переворачивание»). Другими словами, это — обратное превращение части внутренней энергии равновесной окружающей среды в электроэнергию или работу.
Именно такой процесс запрещен вторым началом термодинамики. Поэтому, чтобы доказать возможность создания вечного двигателя второго рода, нужно неизбежно опрокинуть или обойти «стоящий на дороге» второй закон термодинамики.
Сторонники perpetuum mobile-2 применяют для этого целый комплекс доводов — от общефилософских рассуждений со ссылками на классиков до экспериментальных данных!из различных областей науки. Все доводы, как правило, носят описательно-умозрительный характер и даются без четкого научного обоснования. Однако их красивое внешнее оформление в сочетании с убежденностью и энтузиазмом в некоторых случаях может показаться убедительным. Помогает тут и благородная цель — экономия ресурсов и спасение окружающей среды от загрязнения.
Какие perpetuum mobile-2 изобретают теперь.
Различных проектов perpetuum mobile-2 предлагается очень много, и принципы их действия самые разнообразные: термомеханические, химические, гравитационные, электрические… Есть и такие, к которым трудно подобрать научный термин, чтобы объяснить принцип их действия.
Вместе с тем независимо от принципа действия все предложенные двигатели можно разделить на два больших класса.
Первый из них включает правильные, «идейно чистые» вечные двигатели второго рода, основанные на «энергетической инверсии», о которой ужу говорилось. Естественно, что ни один из них не работает несмотря на все усилия их авторов. Эти «настоящие» perpetuum mobile-2 большей частью основаны на простых термомеханических принципах. В зависимости от области, к которой тяготеет изобретатель, проекты таких perpetuum mobile-2 опираются либо на теплотехнику, либо на холодильную технику. Однако многие изобретатели, разочаровавшись в возможностях и той и другой, ищут “новые пути”. Отсюда — появление проектов электрических, химических и электрохимических вечных двигателей второго рода. Реализация любого из этих проектов и пуск соответствующего двигателя сразу сняли бы вопрос об осуществлении perpetuum mobile-2 и перевернули бы всю термодинамику. Однако ни одного акта о внедрении такой системы нет.
Второй класс, напротив, включает те машины-двигатели, которые вполне могут работать, хотя на первый взгляд тоже представляют собой perpetuum mobile-2. Принцип их действия находится в полном согласии с законами термодинамики. Однако делаются попытки выдать их за настоящие perpetuum mobile-2 и таким образом доказать возможность их создания. Но при тщательном рассмотрении всегда оказывается, что никакой «инверсии» энергии в них нет.
Термомеханические perpetuum mobile-2.
Трудно сейчас установить, когда именно был предложен первый проект вечного двигателя второго рода. Во всяком случае, достоверно известно, что это произошло более 100 лет назад.
Один из принципов работы наиболее часто встречающихся парадоксальных вечных двигателей второго рода — взаимодействие двух тел разных температур, при котором тело с меньшей температурой охлаждается еще больше, тем самым повышая температуру тела второго, то есть передавая ему часть своей внутренней энергии. Приводятся в пример такая модель perpetuum mobile-2, как кипящий вследствие повышения температуры (повышения его внутренней энергии на величину ∆U=3νR∆T) чайник c водой, поставленный на ледяную поверхность.
Но ведь одна из формулировок второго закона термодинамики в элементарной (школьной) физике так и звучит: «В природе невозможны процессы, единственным результатом которых является переход теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой». То есть данная модель есть не что иное, как еще один вариант «вечного» двигателя. Рассмотрим еще один характерный perpetuum mobile/
Первым известным изобретателем в этой области был некий американский профессор Гэмджи, предложивший сконструированный им так называемый нуль-мотор, который должен был работать, извлекая теплоту, как мы бы теперь сказали, из равновесной окружающей среды. Было это в 1880 году.
Вторым, кто предложил двигатель, работающий на «теплоте окружающей среды», был тоже американец Ч. Триплер, человек более известный, чем Гемджи, в связи с тем, что он сконструировал действующую установку для сжижения воздуха. Публикация о двигателе Триплера появилась впервые в 1899 году.
Оба эти изобретения связаны одной и той же особенностью: происходящие в них процессы должны были протекать при температуре ниже окружающей среды. Именно здесь, в специфической области низких температур, где «на холоде», казалось бы, все происходит иначе, чем в традиционной теплотехнике, оба изобретателя хотели решить энергетическую проблему по-новому. Нет сомнения, что именно такое «холодное» направление мыслей первых создателей проектов вечных двигателей второго рода связано с сенсационными успехами техники низких температур, которые как раз пришлись на конец 70-х — 90-е годы прошлого века.
Именно два последних достижения низкотемпературной техники того времени — аммиачная холодильная машина и установка сжижения воздуха — послужили соответственно прототипами проектов Гэмджи и Триплера. Прототипами их можно назвать только условно. Поскольку идея была совсем новой: использовать холодильные машины в совершенно другом плане — как двигатели.
Как же, по мысли Гэмджи, должен был работать этот двигатель? Известно, что при температуре окружающей среды (например, 300К=27˚С) аммиак кипит при давлении 1,0 МПа. Следовательно, в котле с жидким аммиаком, помещенным в эту среду, установится повышенное по сравнению с атмосферным давление. Можно направить этот пар в низкотемпературную поршневую машину (детандер). В этом случае он расширяется, например до 0,1 МПа, отдавая внешнюю работу, соответственно охлаждается до 250К и частично при этом сжижается. Жидкий аммиак вместе с паром через выпускной клапан поступает в насос, который приводится в движение самой расширительной машиной, — детандером. В насосе давление аммиака снова повышается до начального. Холодная смесь жидкого аммиака и пара возвращается в котел. Здесь за счет теплоты Q>о.с>, поступающей из более теплой атмосферы, он снова испаряется. Таким образом, двигатель работает отдавая потребителю работу L (равную работе, производимой детандером, за вычетом небольшой ее части, затраченной на привод насоса).
Никакого нарушения первого закона термодинамики — закона сохранения энергии — здесь нет: сколько ее подводится из окружающей среды Q>о.с>, столько и отводится в виде работы (L=Q>о.с>). Но «нуль-мотор» — это типичный «монотермический двигатель» — perpetuum mobile-2.
Представим себя на минуту положение того механика, которому надо запустить уже собранный и заправленный аммиаком двигатель. Пока он неподвижный, и это совершенно естественно, так как он теплый и давление везде одинаково — 1,0 МПа. Начнем раскручивать маховик и затем отпустим, чтобы машина уже сама продолжала работу. Однако можно заранее предсказать, что машина не разгонится, а, напротив, постепенно остановится. Попытки привести ее в движение и любыми другими способами приведут к тому же результату.
Объясняется это очень просто. Чтобы расширительная машина (детандер) работала, нужно, чтобы давление за ней было ниже, чем перед ней. Гемджи думал, что так и будет, поскольку насос откачает парожидкостную смесь из трубы между детандером и насосом. Однако, чтобы это произошло, нужно затратить работу на привод насоса, а где ее взять? Детандер дать ее не может, так как давления и до него, и после него равны, а если его раскрутить извне (при запуске), он будет сам работать тоже как насос, перекачивая аммиак в трубу перед насосом. При этом аммиак в нем будет не охлаждаться, а даже нагреваться. Таким образом «нуль-мотор» сможет работать только в том случае, если его крутить внешним приводом, затрачивая работу L, а не получая ее. Соответствующее количество теплоты, в которую бесполезно «перемолотится» работа, будет отдаваться в окружающую среду.
Естественно, что «нуль-мотор» профессора Гэмджи идеально подходил как двигатель для кораблей военно-морского флота США, перед которым уже в то время ставились задачи на основе весьма далеко идущих планов.
Вот что писал главный инженер военно-морского департамента США Б. Айшервуд своему шефу, рекомендуя провести всесторонние испытания двигателя Гэмджи: «Все это создало бы необходимые предпосылки для конструирования нового мотора, имеющего совершенно безграничные возможности. Принимая во внимание чрезвычайную важность этого изобретения как для военно-морского флота США, так и для всего человечества, я настоятельно рекомендую департаменту создать профессору Гэмджи наиболее благоприятные условия для продолжения его экспериментальных исследований и доложить о них правительству Соединенных Штатов. Профессор выражает готовность представить свое изобретение для самой тщательной экспертизы и сделать это безотлагательно».
Мы познакомились с многовековой историей попыток решить энергетические проблемы «прямым путем» — создать двигатель, производящий работу либо из ничего (вечные двигатели первого рода), либо из того, что есть, но работу произвести не может (вечные двигатели второго рода).
Эти попытки, естественно, к успеху не привели, хотя и способствовали определенным образом на первых этапах развитию науки об энергии. Более того, весь путь «псевдоэнергетики», занятой поисками вечных двигателей, неразрывно связан с историей настоящей энергетики. Псевдоэнергетика по-своему «отслеживала» стоящие перед настоящей энергетикой задачи, пытаясь тоже решить их.
Увлечение вечными двигателями, сохранившееся еще до нашего времени в своеобразной форме perpetuum mobile-2, несмотря на «научное» оформление долго жить не сможет. Вечный двигатель второго рода, так же как и его предшественник — вечный двигатель первого рода, останется лишь интересным и поучительным эпизодом истории физики и энергетической науки.