Читаем Физика полностью

Человеку всегда хотелось построить машину, работа которой превышала бы ту энергию, которая к ней подводится. Если бы это было сделано, проблема вечного движения была бы решена. Машина, которая осуществляла бы такое движение – Perpetuum mobile («перпетуум-мобиле»), – была несбыточной мечтой многих изобретателей. Даже сейчас находятся люди, которые вопреки законам природы пытаются создать такое устройство.

Чтобы вечный двигатель мог работать, он должен сам себя обеспечивать энергией. Иначе говоря, он должен производить достаточное ее количество, не имея никакого внешнего источника поступления энергии.

Представьте, что нужно рассчитать количество энергии, необходимое для осуществления того или иного вида работы, будь то движение океанского лайнера или забивание гвоздей, или полет со сверхзвуковой скоростью. В любом случае без учета потерь количество затраченной энергии всегда должно равняться количеству выработанной энергии или той, что выделилась в результате совершения работы.

Энергия, которую не совсем точно называют потерянной, на самом деле не исчезает. Просто она переходит в другую форму, при этом исключается возможность ее дальнейшего превращения в механическую или электрическую энергию. Так происходит потому, что в результате вызванного трением нагрева часть энергии выделяется в виде тепла. И это справедливо для потерь любого вида энергии, потому что она почти всегда превращается именно в тепло.

Эту же мысль можно выразить и другими словами: во всех случаях общая конечная сумма энергии равна ее общей начальной сумме. Энергия не возникает и не исчезает, но переходит в другую форму, иногда малополезную или совсем бесполезную.

Например, тепло, которое выделяется в двигателе внутреннего сгорания, – является ненужным, но неизбежным продуктом превращения энергии. Его можно использовать, скажем, для обогрева салона автомобиля, но воспользуемся мы этим теплом или нет – все равно часть работы, осуществленной двигателем, тратиться на тепловые потери.

Все, о чем говорилось выше, и представляет собой суть важнейшего закона природы – закона сохранения энергии, или первого начала термодинамики.

Вечного ничего нет, и долговечного тоже немного.

Если повториться, то вечный двигатель должен выполнять полезную работу, не имея никаких внешних источников энергии. Проще говоря, в нем не должно сжигаться топливо и к нему не нужно прилагать механических усилий. Существует ряд свидетельств, что именно поиски такой нереализованной машины заложили фундамент механики как науки.

Бесполезность поисков вечного движения признавалась еще до того, как этот закон стал достоянием науки. Однако это мнение основывалось не на некоторых общих положениях, а на анализе принципа действия отдельных «машин вечного движения». Тщательный анализ очередного проекта всегда выявлял какие-либо ошибки, из-за которых двигатель не мог работать, а претензии изобретателя оказывались бессильны.

Хитрости «изобретателей» вечного двигателя

В прошлом людям казалось, что наиболее доступным источником энергии для работы вечных двигателей является вода. Наверное, такая мысль возникла из-за того, что вода, окружающая людей, казалась им бесплатной. Это обстоятельство и вводило в заблуждение, например, мельника. Однако владельцы мельниц, на которых в период засух уменьшался напор воды, не рассматривали воду как бесплатный источник энергии. Они постоянно пытались заставить воду подниматься вверх и снова совершать работу.

Позже умудренные опытом инженеры стали накапливать энергию, сооружая плотины со шлюзовыми воротами и создавая в них запасы воды для того, чтобы работа мельниц не прерывалась в засушливые периоды, когда естественный поток воды прекращался.

Инженерам Позднего средневековья и Возрождения был известен по крайней мере один достаточно надежный способ подъема воды на определенную высоту: если конец трубки, скрученный наподобие резьбы винта, опустить в воду, то она начнет подниматься вверх по трубке до тех пор, пока последняя будет вращаться. Это странное, однако идеально работающее изобретение вошло в историю техники под названием архимедового винта. Теперь мы понимаем, что трубка архимедового винта должна была вращаться с помощью какой-то внешней силы.

Этого, однако, не знали люди Средневековья, с удивлением задававшие вопрос: «Что может быть проще, чем соединить такой винт с водяным колесом мельницы? Ведь тогда мельница будет вращать винт, а винт приводить в движение мельницу!»

Мельница замкнутого цикла была предложена Робертом Флуддом в 1618 г. Для ее работы не нужен непрерывный поток воды. Только через два столетия после смерти Роберта Флудда стало понятно, что закон сохранения энергии исключает возможность существования такого устройства!