Movemento perpetuo

Unha máquina de movemento perpetuo (en latín: perpetuum mobile) é unha máquina hipotética que sería capaz de seguir funcionando para sempre, despois dun impulso inicial, sen necesidade de enerxía externa adicional. Baséase na idea da conservación da enerxía. A súa existencia violaría teoricamente o segundo principio da termodinámica, polo que se considera un obxecto imposíbel. Impulsar un móbil sen enerxía externa é imposible, porque a enerxía se disipa de varias maneiras, principalmente en forma de calor, que é o que produciría a máquina cando estea en movemento.
Dado que os principios da termodinámica son algúns dos máis comprobados ao longo da historia da física, as propostas serias de movemento perpetuo sempre son desprezadas. Este tipo de máquinas adoitan ser utilizadas polos físicos como unha forma de probar os seus coñecementos, demostrando, sen utilizar termodinámica, que non pode funcionar. Ademais, é frecuente a aparición de “paradoxos”, cando se imaxinan experimentos mentais que parecen mostrar movementos perpetuos; estes son invariabelmente erros na comprensión das leis da física, polo que son moi instrutivos.
Este tipo de ideas son adoptadas principalmente por círculos relixiosos, ocultistas ou pseudocientíficos, crentes en fontes de enerxía inesgotables. Principios básicos
Existe un consenso científico de que o movemento perpetuo nun sistema illado viola a primeira lei da termodinámica, a segunda ou ambas. A primeira lei da termodinámica é unha versión da lei da conservación da enerxía. A segunda lei pódese enunciar de varias maneiras; a máis intuitiva delas é que a calor flúe espontaneamente de lugares máis quentes a lugares máis fríos. O relevante é que a lei observa que en todo proceso macroscópico hai rozamento ou algo semellante; outra afirmación é que ningún motor térmico (un motor que produce traballo mentres move calor dunha temperatura alta a unha temperatura baixa) pode ser máis eficiente que un motor térmico de Carnot que funcione entre as mesmas dúas temperaturas.
Noutras palabras: En calquera sistema illado non se pode crear enerxía nova (lei de conservación da enerxía). En consecuencia, a eficiencia térmica (a potencia de traballo producida dividida pola potencia calorífica introducida) non pode ser superior a un.
A potencia de traballo de saída dos motores térmicos é sempre menor que a potencia calorífica de entrada. O resto da enerxía térmica subministrada pérdese como calor ao ambiente. Polo tanto, a eficiencia térmica ten un máximo, dado polo rendemento de Carnot, que sempre é inferior a un.
O rendemento dos motores térmicos reais é mesmo inferior ao rendemento de Carnot debido á irreversibilidade derivada da velocidade dos procesos, incluída a fricción.
As afirmacións 2 e 3 aplícanse aos motores térmicos. Outros tipos de motores que converten, por exemplo, enerxía mecánica en enerxía electromagnética, non poden funcionar cun 100% de eficiencia, porque é imposíbel deseñar ningún sistema que estea libre de disipación de enerxía.
As máquinas que cumpren as dúas leis da termodinámica accedendo á enerxía de fontes non convencionais chámanse ás veces máquinas de movemento perpetuo, aínda que non cumpren os criterios estándar para este nome. Como exemplo, deseñáronse reloxos e outras máquinas de baixa potencia, como o reloxo de Cox, para funcionaren con diferenzas de presión barométrica ou de temperatura entre a noite e o día. Estas máquinas teñen unha fonte de enerxía, aínda que non sexa obvia, polo que só parecen violar as leis da termodinámica.
Mesmo as máquinas que extraen enerxía de fontes de longa duración, como as correntes oceánicas, esgotaranse cando inevitabelmente o fagan as súas fontes de enerxía. Non son máquinas de movemento perpetuo porque consomen enerxía dunha fonte externa e non son sistemas illados.
Clasificación
Unha clasificación das máquinas de movemento perpetuo refírese á lei particular da termodinámica que as máquinas pretenden violar: Unha máquina de movemento perpetuo de primeiro tipo produce traballo sen achega de enerxía. Polo tanto, viola a primeira lei da termodinámica: a lei de conservación da enerxía.
Unha máquina de movemento perpetuo do segundo tipo é unha máquina que converte espontáneamente a enerxía térmica en traballo mecánico. Cando a enerxía térmica é equivalente ao traballo realizado, isto non infrinxe a lei de conservación da enerxía. Non obstante, viola a segunda lei máis sutil da termodinámica nun proceso cíclico. A sinatura dunha máquina de movemento perpetuo do segundo tipo é que só hai un depósito de calor implicado, que se arrefría espontáneamente sen implicar unha transferencia de calor a un depósito máis frío. Esta conversión de calor en traballo útil, sen ningún efecto secundario, é imposible, segundo a segunda lei da termodinámica.
Unha máquina de movemento perpetuo do terceiro tipo defínese normalmente (mais non sempre) como aquela que elimina completamente o rozamento e outras forzas disipativas, para manter o movemento para sempre debido á inercia da súa masa (o terceiro neste caso refírese só á posición en o esquema de clasificación anterior, non á terceira lei da termodinámica). É imposible fabricar unha máquina deste tipo, ​ xa que a disipación nunca se pode eliminar completamente nun sistema mecánico, por moi preto que un sistema estea a este ideal.
Imposibilidade
A "imposibilidade epistémica" describe cousas que absolutamente non poden ocorrer dentro da nosa formulación actual das leis físicas. Esta interpretación da palabra "imposíbel" é a que se pretende nos debates sobre a imposibilidade do movemento perpetuo nun sistema pechado.
As leis de conservación son especialmente sólidas matematicamente. O teorema de Noether, que foi probado matematicamente en 1915, afirma que calquera lei de conservación pode derivarse dunha simetría continua correspondente da acción dun sistema físico. A simetría que equivale á conservación da enerxía é a invarianza temporal das leis físicas. Polo tanto, se as leis da física non cambian co tempo, entón segue a conservación da enerxía. Para que se viole a conservación da enerxía para permitir o movemento perpetuo, esixe que os fundamentos da física cambien.
As investigacións científicas sobre se as leis da física son invariábeis ao longo do tempo empregan telescopios para examinar o universo no pasado distante e descubrir, até os límites das nosas medicións, se as estrelas antigas eran idénticas ás estrelas actuais. A combinación de diferentes medicións como a espectroscopia, a medición directa da velocidade da luz no pasado e medidas similares mostran que a física permaneceu sendo substancialmente a mesma, se non idéntica, ao longo do tempo observábel que abrangue milleiros de millóns de anos.
Os principios da termodinámica están tan ben establecidos, tanto teórica como experimentalmente, que as propostas de máquinas de movemento perpetuo espertan a incredulidade xeral entre os físicos. Calquera proxecto de movemento perpetuo proposto ofrece un desafío potencialmente instrutivo para os físicos: un está seguro de que non pode funcionar, polo que hai que explicar por que non funciona. A dificultade (e o valor) deste exercicio depende da sutileza da proposta; Os mellores adoitan xurdir dos propios experimentos mentais dos físicos e moitas veces achegan luz sobre certos aspectos da física. Así, por exemplo, o experimento mental do trinquete browniano como máquina de movemento perpetuo foi discutido por primeira vez por Gabriel Lippmann en 1900, mais non foi até 1912 cando Marian Smoluchowski deu unha explicación aceitada de por que non pode funcionar. Durante ese período de doce anos os científicos non crían que a máquina fose posible, simplemente non sabían o mecanismo exacto polo que fallaría inevitabelmente.
A mediados do século XIX, Henry Dircks investigou a historia dos experimentos de movemento perpetuo e escribiu un ataque furioso contra aqueles que seguían a intentar o que el cría imposible:
Técnicas
Algunhas ideas comúns repítense unha e outra vez nos deseños das máquinas de movemento perpetuo. Moitas ideas que continúan a aparecer hoxe foron presentadas xa en 1670 por John Wilkins, bispo de Chester e oficial da Royal Society. Esbozou tres posibles fontes de enerxía para unha máquina de movemento perpetuo, "extraccións químicas [chymical, sic]", "virtudes magnéticas" e "a afección natural da gravidade".
A aparentemente misteriosa capacidade dos imáns para influír no movemento a distancia sen ningunha fonte de enerxía aparente atraeu os inventores durante moito tempo. Un dos primeiros exemplos de motor magnético foi proposto por Wilkins e amplamente copiado desde entón: consistía nunha rampla cun imán na parte superior, que levaba unha bóla de metal ata a rampla. Preto do imán había un pequeno burato que debía permitir que a bola caese por debaixo da rampla e regresase ao fondo, onde unha aleta permitía que volvase cara a arriba de novo. Non obstante, se o imán ten que ser o suficientemente forte como para arrastrar a bóla pola rampla, non pode ser o suficientemente débil como para permitir que a gravidade o arrastre polo burato. Ante este problema, as versións máis modernas adoitan empregar unha serie de ramplas e imáns, colocados para que a bóla pase dun imán a outro mentres se move. O problema segue sendo o mesmo. A gravidade tamén actúa a distancia, sen fonte aparente de enerxía, mais para obter enerxía dun campo gravitatorio (por exemplo, deixando caer un obxecto pesado, producindo enerxía cinética ao caer) hai que poñer enerxía (por exemplo, levantando o obxecto) e sempre se disipa algo de enerxía no proceso. Unha aplicación típica da gravidade nunha máquina de movemento perpetuo é a roda de Bhaskara no século XII, que ten como idea clave un tema recorrente, moitas veces chamado de roda sobrebalanceada: os pesos móbiles están unidos a unha roda de tal xeito que caen nunha posición máis afastada do centro da roda durante a metade da rotación da roda, e máis preto do centro para a outra metade. Dado que os pesos máis afastados do centro aplican un par motor maior, pensouse que a roda xiraría para sempre. Non obstante, dado que o lado con pesos máis lonxe do centro ten menos pesos que o outro lado, nese momento, o par equilíbrase e non se consegue o movemento perpetuo. Os pesos móbiles poden ser martelos sobre brazos pivotantes, bólas rodantes ou mercurio en tubos; o principio é o mesmo.
Outra máquina teórica implica un ambiente sen fricción para o movemento. Implica usar levitación diamagnética ou levitación electromagnética para flotar un obxecto. Isto faise no baleiro para eliminar a fricción do ar e a fricción do eixe. O obxecto levitado é entón libre de xirar ao redor do seu centro de gravidade sen interferencias. Non obstante, esta máquina non serve para ningún propósito práctico porque o obxecto xirado non pode facer ningún traballo, xa que o traballo require que o obxecto levitado provoque movemento noutros obxectos, o que introduce fricción no problema. Ademais, un baleiro perfecto é un obxectivo inalcanzable, xa que tanto o recipiente como o propio obxecto se vaporizarían lentamente, degradando así o baleiro.
Para extraer traballo da calor, producindo así unha máquina de movemento perpetuo do segundo tipo, o enfoque máis común (que se remonta polo menos ao demo de Maxwell) é a unidireccionalidade. Só as moléculas que se moven o suficientemente rápido e na dirección correcta poden atravesar a trampa do demo. Nun trinquete browniano, as forzas que tenden a xirar o trinquete nunha dirección poden facelo mentres que as forzas na outra dirección non. Un díodo nun baño de calor permite que as correntes pasen nun sentido e non noutro. Estes esquemas adoitan fallar de dúas formas: ou manter a unidireccionalidade custa enerxía (esixindo que o demo de Maxwell faga máis traballo termodinámico para medir a velocidade das moléculas que a cantidade de enerxía que se obtén pola diferenza de temperatura causada) ou a unidireccionalidade é unha ilusión e as grandes violacións ocasionais compensan as pequenas non violacións frecuentes (o trinquete browniano estará suxeito ás forzas brownianas internas e, polo tanto, ás veces xirará na dirección equivocada).
A flotabilidade é outro fenómeno frecuentemente mal entendido. Algunhas propostas de máquinas de movemento perpetuo pasan por alto o feito de que empurrar un volume de ar cara a abaixo nun fluído require o mesmo traballo que elevar un volume correspondente de fluído contra a gravidade. Este tipo de máquinas poden consistir en dúas cámaras con pistóns e un mecanismo para expulsar o ar da cámara superior á inferior, que flota cara a arriba. O mecanismo de compresión destes deseños non sería capaz de facer o traballo suficiente para mover o ar cara a abaixo, ou non deixaría ningún exceso de traballo dispoñible para ser extraído. Experimentos mentais
Na física teórica, os experimentos de pensamento utilízanse con frecuencia para probar os límites do coñecemento das leis físicas. Algúns destes experimentos levarían a un móbil perpetuo, como son: O demo de Maxwell: consiste en violar o segundo principio, ao separar dous gases mesturados, introducindo un hipotético demo que movería as moléculas de gas ao lugar apropiado. Serve para comprender mellor a relación entre entropía e información.
O trinquete de Brown de Richard Feynman: un "móbil perpetuo" que extrae traballo das flutuacións térmicas, que parece funcionar para sempre, aínda que en realidade só o fai mentres o ambiente estea máis quente que o trinquete. Intentos de motivo perpetuo
A invención dos móbiles perpetuos é o pasatempo de moitos excéntricos, que a miúdo acaban con máquinas elaboradas ao estilo de Rube Goldberg ou Heath Robinson. Aínda que estes inventos parecen funcionar sobre o papel, sempre teñen fallos ou agochan fontes de enerxía externas que os fan inútiles na práctica.
Estes inventos en xeral utilizan para impulsar a máquina forzas como as gravitatorias, os campos magnéticos, a diferenza de densidade dos obxectos, crendo que estes son capaces de impulsar continuamente o móbil.
Leonardo da Vinci deseñou un sistema que demostraba a imposibilidade do movemento perpetuo. Segundo el, ningún instrumento feito polo home podía producir movemento perpetuo, dado o experimento que realizou sobre unha roda e pesas.