Номер 8, страница 122, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 8. Работа, мощность, энергия. Параграф 77. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 8, страница 122.

Условие.

• История перпетуум-мобиле.

Решение.

Идея создания перпетуум-мобиле (лат. perpetuum mobile — вечный двигатель) — воображаемого устройства, способного совершать работу неограниченно долго, не потребляя энергии извне, — волновала умы изобретателей на протяжении многих веков. История этих поисков — это история гениальных заблуждений, хитроумных обманов и, в конечном счете, становления фундаментальных законов физики.

Ранние концепции (Средние века)

Первые задокументированные проекты вечных двигателей появились в Средние века. Они были основаны на, казалось бы, очевидной идее нарушения равновесия.

- Бхаскара II (Индия, XII век): Индийский математик и астроном описал колесо с прикрепленными по ободу длинными сосудами, частично заполненными ртутью. Идея заключалась в том, что на одной стороне колеса ртуть будет находиться дальше от центра, создавая больший вращающий момент, чем на другой стороне, где ртуть будет ближе к центру. Это, по мнению автора, должно было заставить колесо вращаться вечно.
- Виллар де Оннекур (Франция, XIII век): В его альбоме эскизов содержится изображение «вечно вращающегося колеса» с нечетным количеством (семь) шарнирно закрепленных молотков. Расчет был тот же: молотки на опускающейся стороне колеса будут откинуты дальше от центра, чем на поднимающейся, создавая постоянный вращающий момент.

Ошибка этих и подобных им механических проектов заключается в игнорировании того факта, что хотя на опускающейся стороне рычаг силы действительно больше, количество грузов на ней всегда меньше, чем на поднимающейся. В результате моменты сил, действующих на обе стороны колеса, в точности уравновешивают друг друга, и система приходит в состояние устойчивого равновесия.

Эпоха Возрождения и Новое время

С развитием механики поиски вечного двигателя стали более изощренными. Даже великий Леонардо да Винчи изучал и зарисовывал различные варианты «самовращающихся колес». Однако именно он одним из первых пришел к выводу об их невозможности с точки зрения статики, оставив в своих записях утверждение, что подобное устройство создать нельзя.

Помимо механических, появились и другие типы предполагаемых вечных двигателей:

- Гидростатические двигатели: Использовали идею Архимедова винта, который якобы мог бы поднимать воду, вращая водяное колесо, которое, в свою очередь, вращало бы сам винт. Здесь игнорировался тот факт, что для подъема определенного объема воды требуется больше энергии, чем можно получить от падения этого же объема воды.
- Капиллярные двигатели: Например, «самотекущая колба» Роберта Бойля, где предполагалось, что вода будет подниматься по узкому капилляру и переливаться в широкий сосуд, создавая вечный круговорот. Ошибка в том, что силы поверхностного натяжения, поднимающие жидкость, также будут удерживать ее у края капилляра, не давая перелиться.
- Магнитные двигатели: Проекты, в которых шарик должен был катиться по наклонной плоскости под действием магнита, затем падать в отверстие и возвращаться к началу. Изобретатели не учитывали, что магнит, притягивающий шарик вверх, будет так же сильно мешать ему упасть и замкнуть цикл.

Законы термодинамики и конец эпохи

Решающую точку в вопросе о вечном двигателе поставило развитие термодинамики в XIX веке. Были сформулированы фундаментальные законы природы, которые строго доказывают невозможность его создания.

Вечный двигатель первого рода — это устройство, которое производит работу, не черпая энергию из какого-либо источника, то есть создает энергию из ничего. Его существование противоречит первому началу термодинамики (закону сохранения энергии). Согласно этому закону, изменение внутренней энергии системы $ΔU$ равно разности между количеством полученной теплоты $\text{Q}$ и работой $\text{A}$, совершенной системой:
$ΔU = Q - A$
Для двигателя, работающего циклически, изменение внутренней энергии за цикл равно нулю ($ΔU = 0$), следовательно, $A = Q$. Чтобы двигатель совершал работу ($A > 0$), он должен получать энергию извне ($Q > 0$). Создание же работы из ничего ($Q = 0$) невозможно, так как это означало бы, что и $A = 0$.

Вечный двигатель второго рода — это гипотетическая машина, которая бы совершала работу за счет полного преобразования теплоты, полученной от одного источника (нагревателя). Его существование противоречит второму началу термодинамики. Оно гласит, что невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение в работу всей теплоты, полученной от нагревателя. Для работы тепловой машины необходима отдача части тепла более холодному телу (холодильнику). Коэффициент полезного действия (КПД) любой тепловой машины всегда меньше 100%. Работа $\text{A}$ равна разности теплоты, полученной от нагревателя ($Q_н$), и теплоты, отданной холодильнику ($Q_х$): $A = Q_н - Q_х$. Тогда КПД:
$η = \frac{A}{Q_н} = \frac{Q_н - Q_х}{Q_н} = 1 - \frac{Q_х}{Q_н}$
Поскольку часть тепла обязательно должна быть отдана холодильнику ($Q_х > 0$), КПД всегда меньше единицы ($η < 1$). Невозможно создать двигатель, который, например, плыл бы по океану, забирая тепло из воды и превращая его в работу без отдачи части тепла более холодному телу.

Уже в 1775 году Парижская академия наук приняла решение не рассматривать заявки на проекты вечных двигателей. Позднее так же поступили патентные ведомства большинства стран.

Заключение

Несмотря на научную несостоятельность, идея вечного двигателя не умерла. Периодически появляются сообщения о создании «бестопливных генераторов» и «квантовых двигателей», которые на поверку оказываются либо ошибками измерений, либо откровенным мошенничеством. Тем не менее, многовековая история поисков перпетуум-мобиле сыграла важную положительную роль: в попытках опровергнуть или создать его ученые глубже проникли в суть законов природы, что привело к формулировке законов сохранения и фундаментальных принципов термодинамики, лежащих в основе современной физики и техники.

Ответ: История перпетуум-мобиле — это эволюция идеи от простых механических устройств в Средние века (колесо Бхаскары, колесо Виллара де Оннекура), основанных на неверном понимании механики, к более сложным гидростатическим, капиллярным и магнитным конструкциям в эпоху Возрождения и Новое время. Все эти проекты были опровергнуты практически и теоретически, в том числе работами Леонардо да Винчи. Окончательную точку в вопросе поставило создание термодинамики в XIX веке. Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии) запрещает существование вечного двигателя первого рода (создающего энергию из ничего). Второе начало термодинамики запрещает существование вечного двигателя второго рода (полностью преобразующего теплоту одного источника в работу). Попытки создать вечный двигатель, хотя и были бесплодными, способствовали становлению фундаментальных законов физики.