Номер 5, страница 115 - гдз по физике 7 класс учебник Громов, Родина

Глава 4. Работа, мощность, энергия. Параграф 31. Использование энергии движущейся воды и ветра. Темы докладов - номер 5, страница 115.

Условие.

Решение.

История идеи «перпетуум мобиле» (от лат. perpetuum mobile — вечно движущееся) — это многовековая история человеческих устремлений, изобретательности и, в конечном счете, заблуждений, которая сыграла важную роль в становлении фундаментальных законов физики, в частности, законов термодинамики.

Зарождение идеи и первые проекты (до XV века)

Первые задокументированные описания вечных двигателей появляются в XII-XIII веках, хотя сама идея могла существовать и раньше. Одним из первых известных проектов является «колесо Бхаскары», описанное индийским математиком и астрономом Бхаскарой II около 1150 года. Это было колесо с изогнутыми или наклонными спицами, частично заполненными ртутью. Предполагалось, что ртуть, перетекая по спицам, будет постоянно создавать на одной стороне колеса больший вращающий момент, чем на другой, заставляя его непрерывно вращаться. Позднее, в XIII веке, французский архитектор Виллар де Оннекур изобразил в своем альбоме аналогичное по принципу «самовращающееся колесо» с несимметрично закрепленными на ободе молоточками. Эти проекты основывались на интуитивной, но ошибочной идее создания постоянного дисбаланса сил.

Эпоха Возрождения и гений Леонардо да Винчи (XV-XVI века)

В эпоху Ренессанса интерес к механике и инженерному делу значительно возрос. Многие изобретатели, включая великого Леонардо да Винчи, изучали и зарисовывали различные варианты вечных двигателей. Однако Леонардо, в отличие от многих своих современников, после тщательного анализа пришел к выводу о невозможности их создания. Он понял, что любая машина теряет энергию из-за трения, и что работа, совершаемая опускающимися грузами на одной стороне колеса, никогда не сможет превысить работу, необходимую для подъема грузов на другой стороне. Его вывод о том, что «никогда никакое механическое устройство... не сможет произвести энергии больше, чем получило», был гениальным предвосхищением закона сохранения энергии.

Научная революция и механистические модели (XVII-XVIII века)

Несмотря на скептицизм да Винчи, в XVII-XVIII веках было предложено множество новых конструкций, использующих не только механику, но и гидравлику (например, водяные насосы, якобы качающие воду сами на себя) и магнетизм. Одной из самых известных историй того времени является история Иоганна Бесслера, известного как Орфиреус, который в начале XVIII века демонстрировал несколько моделей «самодвижущихся колес», приводивших в изумление многих ученых и аристократов. Однако он так и не раскрыл секрета их устройства и, предположительно, уничтожил их перед смертью. Большинство исследователей сходятся во мнении, что это было искусное мошенничество. Важной вехой в истории стало решение Парижской академии наук в 1775 году, которая постановила более не рассматривать проекты вечных двигателей из-за их очевидной невозможности.

Термодинамика и окончательное опровержение (XIX век)

Решающий удар по идее вечного двигателя нанесло развитие термодинамики в XIX веке. Были сформулированы фундаментальные законы природы, которые строго запрещают существование таких устройств. В связи с этим вечные двигатели были разделены на два типа.

Вечный двигатель первого рода — это машина, которая производила бы работу, не потребляя энергии извне, то есть создавала бы энергию из ничего. Его существование противоречит первому началу термодинамики — закону сохранения энергии. Этот закон гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а может только переходить из одной формы в другую. Для любой термодинамической системы изменение её внутренней энергии $ \Delta U $ равно разности между количеством теплоты $ Q $, подведенной к системе, и работой $ A $, совершенной системой над внешними телами: $ \Delta U = Q - A $. В циклическом процессе $ \Delta U = 0 $, следовательно, $ A = Q $. Невозможно получить работу ($ A > 0 $) без подвода энергии извне в виде теплоты ($ Q > 0 $) или за счет уменьшения внутренней энергии.

Вечный двигатель второго рода — это гипотетическая машина, которая, будучи приведена в контакт с одним тепловым резервуаром, могла бы совершать работу исключительно за счет его охлаждения. Такая машина не нарушала бы закон сохранения энергии, но она противоречит второму началу термодинамики. Согласно формулировке Кельвина-Планка, невозможно создать циклически действующую тепловую машину, единственным результатом работы которой было бы преобразование в работу всей теплоты, полученной от единственного источника. Иными словами, невозможно создать двигатель со 100% КПД; часть теплоты обязательно должна быть передана более холодному телу (холодильнику). Этот закон связан с понятием энтропии, которая в замкнутой системе не может убывать ($ \Delta S \ge 0 $).

Современность

В настоящее время научное сообщество единодушно в том, что создание перпетуум мобиле невозможно, так как это противоречит фундаментальным законам природы. Патентные ведомства большинства стран мира не принимают к рассмотрению заявки на вечные двигатели. Тем не менее, идеи о «свободной энергии» и различные псевдонаучные проекты периодически появляются, эксплуатируя недостаточную осведомленность людей в области физики. Таким образом, история вечного двигателя из области науки и техники переместилась в область истории науки и социологии.

Ответ:

История «перпетуум мобиле» — это многовековой путь от интуитивных механических конструкций (колеса с перекатывающимися грузами), предложенных в Индии и средневековой Европе, через скептические выводы гениев Ренессанса, таких как Леонардо да Винчи, к многочисленным проектам и мистификациям эпохи научной революции. Окончательную и неопровержимую точку в этом вопросе поставило развитие термодинамики в XIX веке. Было доказано, что вечный двигатель первого рода (создающий энергию из ничего) невозможен из-за закона сохранения энергии (первое начало термодинамики), а вечный двигатель второго рода (преобразующий в работу 100% теплоты от одного источника) — из-за необратимости тепловых процессов и закона возрастания энтропии (второе начало термодинамики). Эта история является ярким примером того, как стремление к невозможному способствовало более глубокому пониманию фундаментальных законов природы.