Номер 3, страница 231 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. Вечный двигатель. Первое и второе начала термодинамики. Классификация вечных двигателей. Неудачные конструкции вечных двигателей из истории.

Вечный двигатель

Вечный двигатель (лат. perpetuum mobile) — это воображаемое устройство, способное совершать работу неограниченно долго, не потребляя энергии из внешнего источника. Идея создания такого устройства занимала умы изобретателей и учёных на протяжении многих веков, однако современная наука доказала невозможность его существования. Попытки создать вечный двигатель привели к формулировке фундаментальных законов природы, в частности, законов термодинамики.

Ответ: Вечный двигатель — это гипотетическое устройство, которое может работать вечно, производя полезную работу без затрат энергии, что противоречит фундаментальным законам физики.

Первое и второе начала термодинамики

Невозможность создания вечного двигателя напрямую следует из двух фундаментальных законов термодинамики.

Первое начало термодинамики является выражением закона сохранения энергии для термодинамических систем. Оно гласит, что количество теплоты ($\text{Q}$), переданное системе, идёт на изменение её внутренней энергии ($\Delta U$) и на совершение системой работы ($\text{A}$) против внешних сил. Математически это выражается формулой:

$Q = \Delta U + A$

Этот закон запрещает создание вечного двигателя первого рода, который бы производил работу из ничего, то есть создавал энергию. В изолированной системе ($Q=0, A=0$) внутренняя энергия сохраняется ($\Delta U=0$). Для циклического процесса, где система возвращается в исходное состояние ($\Delta U=0$), работа может быть совершена только за счёт подведённой теплоты ($A=Q$). Невозможно получить работу больше, чем затраченная энергия.

Второе начало термодинамики вводит понятие необратимости процессов и определяет направление их протекания. Оно имеет несколько эквивалентных формулировок:

• Постулат Клаузиуса: Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему.
• Постулат Кельвина-Планка: Невозможен циклический процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения одного теплового резервуара.

Этот закон запрещает создание вечного двигателя второго рода. Такой двигатель, не нарушая закон сохранения энергии, мог бы преобразовывать в работу всю теплоту, полученную от одного источника. Однако второе начало утверждает, что для работы тепловой машины необходим не только нагреватель, но и холодильник (тепловой резервуар с более низкой температурой), которому будет передаваться часть теплоты, не превращённой в работу. Коэффициент полезного действия (КПД) любой тепловой машины всегда меньше 100% ($\eta < 1$).

Ответ: Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии) запрещает создание машины, производящей энергию из ничего. Второе начало термодинамики запрещает создание машины, которая бы со 100% эффективностью превращала всю теплоту в работу.

Классификация вечных двигателей

В зависимости от того, какой закон термодинамики они нарушают, вечные двигатели условно делят на несколько типов:

• Вечный двигатель первого рода — это устройство, которое в ходе своей работы производило бы больше энергии, чем потребляло, то есть имело бы КПД более 100%. Его работа нарушала бы закон сохранения энергии (первое начало термодинамики).
• Вечный двигатель второго рода — это устройство, которое, не нарушая закона сохранения энергии, преобразовывало бы в работу всю теплоту, извлечённую из окружающего теплового резервуара. Такой двигатель нарушал бы второе начало термодинамики, так как для циклического совершения работы необходима разность температур.
• Вечный двигатель третьего рода — это устройство, которое, будучи выведенным из состояния равновесия, совершало бы вечное движение за счёт полного отсутствия сил трения и других диссипативных сил. Хотя это не нарушает законов термодинамики, создание такого устройства на практике невозможно из-за повсеместного присутствия трения и других потерь энергии.

Ответ: Вечные двигатели классифицируются на двигатели первого рода (нарушают первое начало термодинамики, создают энергию), второго рода (нарушают второе начало, полностью превращают тепло в работу) и третьего рода (устраняют все потери энергии, что практически невозможно).

Неудачные конструкции вечных двигателей из истории

История полна примеров остроумных, но неработоспособных конструкций вечных двигателей.

• Колесо Бхаскары (XII век): Одно из самых ранних известных устройств. Это колесо с изогнутыми или шарнирно закреплёнными сосудами по ободу, частично заполненными ртутью или шариками. Предполагалось, что на одной стороне колеса грузы будут дальше от центра, чем на другой, создавая постоянный вращающий момент. Однако анализ показывает, что, хотя на поднимающейся стороне грузы действительно ближе к оси, их больше, чем на опускающейся. В результате моменты сил уравновешиваются, и колесо не вращается, а лишь приходит в положение устойчивого равновесия.
• Капиллярный сифон Бойля (XVII век): Сосуд, из которого выведен тонкий капиллярный фитиль. Предполагалось, что жидкость будет подниматься по капилляру за счет капиллярного эффекта, вытекать сверху и, падая, вращать колесо, а затем снова поступать в сосуд. Ошибка заключалась в том, что те же силы поверхностного натяжения, которые поднимают жидкость, будут удерживать её на выходе из капилляра, не давая ей вытекать.
• Магнитный двигатель: Множество конструкций, использующих постоянные магниты для создания вечного движения. Типичный проект включал шарик, который притягивается магнитом вверх по наклонной плоскости, а затем должен был падать через отверстие и возвращаться в начальную точку. Проблема в том, что магнитное поле является консервативным (потенциальным). Если магнит достаточно силён, чтобы поднять шарик, он не позволит ему упасть через отверстие, а если слаб — шарик не поднимется.

Ответ: Исторические проекты вечных двигателей, такие как колесо Бхаскары, капиллярный сифон или магнитные двигатели, всегда содержали логическую ошибку или не учитывали один из фундаментальных физических принципов, что и делало их неработоспособными.