Movimento Perpétuo - Perpetual motion

Máquina de movimento perpétuo de 1618 "parafuso de água" de Robert Fludd a partir de uma gravura de 1660 em madeira. É amplamente creditado como a primeira tentativa de descrever tal dispositivo a fim de produzir um trabalho útil, o de cravar pedras de moinho.

O movimento perpétuo é o movimento dos corpos que continua para sempre em um sistema imperturbável. Uma máquina de movimento perpétuo é uma máquina hipotética que pode trabalhar infinitamente sem uma fonte de energia externa . Esse tipo de máquina é impossível, pois violaria a primeira ou a segunda lei da termodinâmica ou ambas.

Essas leis da termodinâmica se aplicam independentemente do tamanho do sistema. Por exemplo, os movimentos e rotações de corpos celestes, como planetas, podem parecer perpétuos, mas na verdade estão sujeitos a muitos processos que dissipam lentamente sua energia cinética, como vento solar , resistência média interestelar , radiação gravitacional e radiação térmica , então não irão continue se movendo para sempre.

Assim, máquinas que extraem energia de fontes finitas não funcionarão indefinidamente, pois são movidas pela energia armazenada na fonte, que acabará por se esgotar. Um exemplo comum são os dispositivos alimentados por correntes oceânicas, cuja energia é derivada do Sol, que eventualmente se extinguirá . Máquinas movidas por fontes mais obscuras foram propostas, mas estão sujeitas às mesmas leis inevitáveis ​​e, eventualmente, irão desacelerar.

Em 2016, novos estados da matéria, cristais de tempo , foram descobertos em que em escala microscópica os átomos componentes estão em movimento repetitivo contínuo, satisfazendo assim a definição literal de "movimento perpétuo". No entanto, eles não constituem máquinas de movimento perpétuo no sentido tradicional ou violam as leis da termodinâmica porque estão em seu estado fundamental quântico , de modo que nenhuma energia pode ser extraída deles; eles exibem movimento sem energia.

História

A história das máquinas de movimento perpétuo remonta à Idade Média. Por milênios, não ficou claro se os dispositivos de movimento perpétuo eram possíveis ou não, mas o desenvolvimento das teorias modernas da termodinâmica mostrou que eles são impossíveis. Apesar disso, muitas tentativas foram feitas para construir essas máquinas, continuando nos tempos modernos. Os designers e proponentes modernos costumam usar outros termos, como "sobre a unidade", para descrever suas invenções.

Princípios básicos

Oh, vocês, buscadores do movimento perpétuo, quantas quimeras vãs vocês perseguiram? Vá e tome seu lugar com os alquimistas.

-  Leonardo da Vinci, 1494

Há um consenso científico de que o movimento perpétuo em um sistema isolado viola a primeira lei da termodinâmica , a segunda lei da termodinâmica ou ambas. A primeira lei da termodinâmica é uma versão da lei da conservação de energia . A segunda lei pode ser formulada de várias maneiras diferentes, a mais intuitiva das quais é que o calor flui espontaneamente de lugares mais quentes para mais frios; o relevante aqui é que a lei observa que em todo processo macroscópico existe atrito ou algo próximo a ele; outra afirmação é que nenhum motor térmico (um motor que produz trabalho enquanto move o calor de uma temperatura alta para uma temperatura baixa) pode ser mais eficiente do que um motor térmico de Carnot operando entre as mesmas duas temperaturas.

Em outras palavras:

  1. Em qualquer sistema isolado, não se pode criar nova energia (lei de conservação de energia). Como resultado, a eficiência térmica - a potência de trabalho produzida dividida pela potência de aquecimento de entrada - não pode ser maior que um.
  2. A potência de trabalho de saída dos motores térmicos é sempre menor do que a potência de aquecimento de entrada. O resto da energia térmica fornecida é desperdiçada na forma de calor para o ambiente circundante. A eficiência térmica portanto tem um máximo, dado pela eficiência de Carnot, que é sempre menor que um.
  3. A eficiência dos motores térmicos reais é ainda inferior à eficiência de Carnot devido à irreversibilidade decorrente da velocidade dos processos, incluindo o atrito.

As afirmações 2 e 3 aplicam-se aos motores térmicos. Outros tipos de motores que convertem, por exemplo, energia mecânica em eletromagnética, não podem operar com 100% de eficiência, porque é impossível projetar qualquer sistema que seja livre de dissipação de energia.

As máquinas que cumprem as duas leis da termodinâmica, acessando energia de fontes não convencionais, às vezes são chamadas de máquinas de movimento perpétuo, embora não atendam aos critérios padrão para o nome. A título de exemplo, relógios e outras máquinas de baixa potência, como o relógio de Cox , foram projetados para funcionar com as diferenças de pressão barométrica ou temperatura entre a noite e o dia. Essas máquinas têm uma fonte de energia, embora não seja facilmente aparente, de modo que parecem violar apenas as leis da termodinâmica.

Mesmo as máquinas que extraem energia de fontes de vida longa - como as correntes oceânicas - irão parar quando suas fontes de energia inevitavelmente o fizerem. Eles não são máquinas de movimento perpétuo porque estão consumindo energia de uma fonte externa e não são sistemas isolados.

Classificação

Uma classificação das máquinas de movimento perpétuo refere-se à lei particular da termodinâmica que as máquinas alegam violar:

  • Uma máquina de movimento perpétuo do primeiro tipo produz trabalho sem a entrada de energia . Portanto, viola a primeira lei da termodinâmica: a lei da conservação da energia .
  • Uma máquina de movimento perpétuo do segundo tipo é uma máquina que converte espontaneamente energia térmica em trabalho mecânico. Quando a energia térmica é equivalente ao trabalho realizado, isso não viola a lei de conservação de energia. No entanto, ele viola a segunda lei mais sutil da termodinâmica (veja também entropia ). A assinatura de uma máquina de movimento perpétuo do segundo tipo é que há apenas um reservatório de calor envolvido, que está sendo resfriado espontaneamente sem envolver uma transferência de calor para um reservatório mais frio. Essa conversão de calor em trabalho útil, sem qualquer efeito colateral, é impossível, de acordo com a segunda lei da termodinâmica.
  • Uma máquina de movimento perpétuo de terceiro tipo é geralmente (mas nem sempre) definida como aquela que elimina completamente o atrito e outras forças dissipativas, para manter o movimento para sempre devido à sua inércia de massa ( Terceiro , neste caso, refere-se apenas à posição na classificação acima esquema, não a terceira lei da termodinâmica ). É impossível fazer tal máquina, já que a dissipação nunca pode ser completamente eliminada em um sistema mecânico, não importa o quão próximo um sistema chegue a este ideal (veja exemplos na seção Baixa Fricção ).

Impossibilidade

Edição de outubro de 1920 da revista Popular Science , em movimento perpétuo. Embora os cientistas tenham estabelecido que eles são impossíveis de acordo com as leis da física, o movimento perpétuo continua a capturar a imaginação dos inventores.

A " impossibilidade epistêmica " descreve coisas que absolutamente não podem ocorrer dentro de nossa formulação atual das leis físicas. Esta interpretação da palavra "impossível" é o que se pretende nas discussões sobre a impossibilidade do movimento perpétuo em um sistema fechado.

As leis de conservação são particularmente robustas do ponto de vista matemático. O teorema de Noether , que foi provado matematicamente em 1915, afirma que qualquer lei de conservação pode ser derivada de uma simetria contínua correspondente da ação de um sistema físico. A simetria que equivale à conservação da energia é a invariância do tempo das leis físicas. Portanto, se as leis da física não mudam com o tempo, segue-se a conservação da energia. Para que a conservação de energia fosse violada para permitir o movimento perpétuo, seria necessário que os fundamentos da física mudassem.

As investigações científicas para saber se as leis da física são invariantes ao longo do tempo usam telescópios para examinar o universo no passado distante para descobrir, até o limite de nossas medições, se estrelas antigas eram idênticas às estrelas de hoje. Combinando diferentes medições, como espectroscopia , medição direta da velocidade da luz no passado e medições semelhantes demonstram que a física permaneceu substancialmente a mesma, se não idêntica, por todo o tempo observável que abrange bilhões de anos.

Os princípios da termodinâmica estão tão bem estabelecidos, tanto teórica quanto experimentalmente, que propostas para máquinas de movimento perpétuo são universalmente recebidas com descrença por parte dos físicos. Qualquer projeto de movimento perpétuo proposto oferece um desafio potencialmente instrutivo para os físicos: temos certeza de que ele não pode funcionar, então é preciso explicar como ele não funciona. A dificuldade (e o valor) de tal exercício depende da sutileza da proposta; os melhores tendem a surgir de experimentos mentais dos próprios físicos e muitas vezes lançam luz sobre certos aspectos da física. Assim, por exemplo, o experimento mental de uma catraca browniana como uma máquina de movimento perpétuo foi discutido pela primeira vez por Gabriel Lippmann em 1900, mas foi somente em 1912 que Marian Smoluchowski deu uma explicação adequada de por que ela não pode funcionar. No entanto, durante aquele período de doze anos, os cientistas não acreditaram que a máquina fosse possível. Eles simplesmente desconheciam o mecanismo exato pelo qual ele inevitavelmente falharia.

A lei de que a entropia sempre aumenta mantém, penso eu, a posição suprema entre as leis da Natureza. Se alguém aponta para você que sua teoria favorita do universo está em desacordo com as equações de Maxwell - então pior para as equações de Maxwell. Se for descoberto que é contradito pela observação - bem, esses experimentalistas às vezes erram. Mas se sua teoria for contra a segunda lei da termodinâmica, não posso lhe dar nenhuma esperança; não há nada a fazer a não ser cair na mais profunda humilhação.

-  Sir Arthur Stanley Eddington , The Nature of the Physical World (1927)

Em meados do século 19, Henry Dircks investigou a história dos experimentos de movimento perpétuo, escrevendo um ataque vitriólico contra aqueles que continuaram a tentar o que ele acreditava ser impossível:

"Há algo de lamentável, degradante e quase insano em perseguir os esquemas visionários de eras passadas com determinação obstinada, em caminhos de aprendizagem que foram investigados por mentes superiores e com os quais tais pessoas aventureiras não estão totalmente familiarizadas. A história do Movimento Perpétuo é uma história da insensatez de pessoas meio instruídas ou totalmente ignorantes. "

-  Henry Dircks, Perpetuum Mobile: Or, A History of the Search for Self-motive (1861)

Técnicas

Um dia o homem conectará seu aparato à própria roda do universo [...] e as próprias forças que motivam os planetas em suas órbitas e os fazem girar irão girar seu próprio maquinário.

Algumas idéias comuns se repetem repetidamente em projetos de máquinas de movimento perpétuo. Muitas idéias que continuam a aparecer hoje foram apresentadas já em 1670 por John Wilkins , bispo de Chester e um oficial da Royal Society . Ele delineou três fontes potenciais de energia para uma máquina de movimento perpétuo, " Extrações Químicas [ sic ]", "Virtudes Magnéticas" e "A Afecção Natural da Gravidade".

A capacidade aparentemente misteriosa dos ímãs de influenciar o movimento à distância, sem qualquer fonte de energia aparente, há muito atrai os inventores. Um dos primeiros exemplos de motor magnético foi proposto por Wilkins e tem sido amplamente copiado desde então: consiste em uma rampa com um ímã no topo, que puxa uma bola de metal pela rampa. Perto do ímã havia um pequeno orifício que deveria permitir que a bola caísse sob a rampa e voltasse ao fundo, onde uma aba permitia que ela voltasse ao topo. O dispositivo simplesmente não funcionava. Diante desse problema, as versões mais modernas costumam usar uma série de rampas e ímãs, posicionados de forma que a bola seja passada de um ímã para outro enquanto se move. O problema continua o mesmo.

Perpetuum Mobile de Villard de Honnecourt (cerca de 1230).
A "roda desequilibrada", anotada com as distâncias dos pesos da linha central, mostrando que os torques de ambos os lados se igualam em média

A gravidade também atua à distância, sem uma fonte de energia aparente, mas para obter energia de um campo gravitacional (por exemplo, deixando cair um objeto pesado, produzindo energia cinética conforme ele cai), é necessário colocar energia (por exemplo, por levantar o objeto), e alguma energia é sempre dissipada no processo. Uma aplicação típica da gravidade em uma máquina de movimento perpétuo é a roda de Bhaskara no século 12, cuja ideia principal é um tema recorrente, muitas vezes chamado de roda desequilibrada: pesos móveis são presos a uma roda de tal forma que caem uma posição mais distante do centro da roda em uma das metades de sua rotação e mais próxima do centro na outra metade. Como os pesos mais distantes do centro aplicam um torque maior , pensava-se que a roda giraria para sempre. Porém, como o lado com pesos mais afastados do centro tem menos pesos que o outro lado, nesse momento o torque é equilibrado e o movimento perpétuo não é alcançado. Os pesos móveis podem ser martelos em braços articulados, ou bolas rolantes, ou mercúrio em tubos; O princípio é o mesmo.

Rodas de movimento perpétuo a partir de um desenho de Leonardo da Vinci

Outra máquina teórica envolve um ambiente sem atrito para o movimento. Isso envolve o uso de levitação diamagnética ou eletromagnética para fazer um objeto flutuar. Isso é feito no vácuo para eliminar o atrito do ar e o atrito de um eixo. O objeto levitado fica então livre para girar em torno de seu centro de gravidade sem interferência. No entanto, esta máquina não tem finalidade prática porque o objeto girado não pode fazer nenhum trabalho, pois o trabalho requer que o objeto levitado cause movimento em outros objetos, trazendo atrito para o problema. Além disso, um vácuo perfeito é uma meta inatingível, pois tanto o recipiente quanto o próprio objeto vaporizariam lentamente , degradando o vácuo.

Para extrair trabalho do calor, produzindo assim uma máquina de movimento perpétuo do segundo tipo, a abordagem mais comum (remontando pelo menos ao demônio de Maxwell ) é a unidirecionalidade . Apenas moléculas que se movem rápido o suficiente e na direção certa são permitidas através do alçapão do demônio. Em uma catraca browniana , as forças que tendem a girar a catraca para um lado são capazes de fazê-lo, enquanto as forças na outra direção não. Um diodo em um banho de calor permite a passagem de correntes em uma direção e não na outra. Esses esquemas normalmente falham de duas maneiras: ou manter a unidirecionalidade custa energia (exigindo que o demônio de Maxwell execute mais trabalho termodinâmico para medir a velocidade das moléculas do que a quantidade de energia ganha pela diferença de temperatura causada) ou a unidirecionalidade é uma ilusão e grandes violações ocasionais compensam as pequenas não violações frequentes (a catraca browniana estará sujeita a forças brownianas internas e, portanto, às vezes irá virar para o lado errado).

O "Float Belt". Os blocos amarelos indicam flutuadores. Pensou-se que os flutuadores subiriam através do líquido e girariam a correia. No entanto, empurrar os flutuadores para a água no fundo consome tanta energia quanto a flutuante gera, e parte da energia é dissipada.

A flutuabilidade é outro fenômeno frequentemente mal compreendido. Algumas propostas de máquinas de movimento perpétuo deixam de perceber o fato de que empurrar um volume de ar para baixo em um fluido exige o mesmo trabalho que elevar um volume correspondente de fluido contra a gravidade. Esses tipos de máquinas podem envolver duas câmaras com pistões e um mecanismo para espremer o ar da câmara superior para a inferior, que então se torna flutuante e flutua até a parte superior. O mecanismo de compressão nesses projetos não seria capaz de fazer trabalho suficiente para mover o ar para baixo, ou não deixaria trabalho em excesso disponível para ser extraído.

Patentes

As propostas para tais máquinas inoperantes tornaram-se tão comuns que o Escritório de Patentes e Marcas dos Estados Unidos (USPTO) fez uma política oficial de se recusar a conceder patentes para máquinas de movimento perpétuo sem um modelo funcional. O Manual de Prática de Exame de Patentes do USPTO declara:

Com exceção dos casos que envolvem movimento perpétuo, um modelo não é normalmente exigido pelo Instituto para demonstrar a operabilidade de um dispositivo. Se a operabilidade de um dispositivo for questionada, o solicitante deve comprovar a satisfação do examinador , mas ele pode escolher sua própria maneira de fazê-lo.

E, além disso, que:

A rejeição [de um pedido de patente] com base na falta de utilidade inclui os motivos mais específicos de inoperância, envolvendo movimento perpétuo. Uma rejeição sob 35 USC 101 por falta de utilidade não deve ser baseada em motivos de que a invenção é frívola, fraudulenta ou contra a ordem pública.

O depósito de um pedido de patente é uma tarefa administrativa, e o USPTO não recusará depósitos de máquinas de movimento perpétuo; o pedido será depositado e, provavelmente, rejeitado pelo examinador de patentes, após ele ter feito um exame formal. Mesmo que uma patente seja concedida, isso não significa que a invenção realmente funciona, apenas significa que o examinador acredita que ela funciona ou não conseguiu descobrir por que não funcionaria.

O USPTO mantém uma coleção de Perpetual Motion Gimmicks .

O Escritório de Patentes do Reino Unido tem uma prática específica sobre movimento perpétuo; A Seção 4.05 do Manual de Práticas de Patentes UKPO declara:

Processos ou artigos que supostamente operam de maneira claramente contrária às leis físicas estabelecidas, como máquinas de movimento perpétuo, são considerados como não tendo aplicação industrial.

Exemplos de decisões do Escritório de Patentes do Reino Unido para recusar pedidos de patente para máquinas de movimento perpétuo incluem:

  • Decisão BL O / 044/06, requerimento John Frederick Willmott nº. 0502841
  • Decisão BL O / 150/06, requerimento de Ezra Shimshi nº. 0417271

A European Patent Classification (ECLA) tem classes incluindo pedidos de patentes em sistemas de movimento perpétuo: classes ECLA "F03B17 / 04: Alleged perpetua mobilia ..." e "F03B17 / 00B: [... máquinas ou motores] (com circulação em circuito fechado ou semelhantes: ... Instalações em que o líquido circula em circuito fechado; Alegada perpétua mobilia deste tipo ou semelhante ... ".

Aparentes máquinas de movimento perpétuo

Como o "movimento perpétuo" pode existir apenas em sistemas isolados, e não existem sistemas isolados verdadeiros, não existem dispositivos reais de "movimento perpétuo". No entanto, existem conceitos e rascunhos técnicos que propõem "movimento perpétuo", mas em uma análise mais atenta revela-se que eles na verdade "consomem" algum tipo de recurso natural ou energia latente, como as mudanças de fase da água ou outros fluidos naturais ou pequenos. gradientes de temperatura, ou simplesmente não podem sustentar operação indefinida. Em geral, extrair trabalho desses dispositivos é impossível.

Consumo de recursos

A "tigela capilar"

Alguns exemplos de tais dispositivos incluem:

  • O brinquedo do pássaro bebendo funciona usando pequenos gradientes de temperatura ambiente e evaporação. Corre até que toda a água se evapore.
  • Uma bomba de água baseada em ação capilar funciona usando pequenos gradientes de temperatura ambiente e diferenças de pressão de vapor . Com a "Taça Capilar", pensava-se que a ação capilar manteria a água fluindo no tubo, mas como a força de coesão que puxa o líquido para cima do tubo em primeiro lugar impede que a gota se solte na tigela, o fluxo não é perpétuo.
  • Um radiômetro de Crookes consiste em um recipiente de vidro a vácuo parcial com uma hélice leve movida por gradientes de temperatura (induzidos pela luz).
  • Qualquer dispositivo que capte quantidades mínimas de energia da radiação eletromagnética natural ao seu redor, como um motor movido a energia solar.
  • Qualquer dispositivo alimentado por mudanças na pressão do ar, como alguns relógios ( relógio de Cox , Beverly Clock ). O movimento drena energia do ar em movimento que, por sua vez, ganhou sua energia ao ser acionado.
  • Uma bomba de calor devido ao fato de ter um COP acima de 1.
  • O relógio Atmos usa mudanças na pressão de vapor do cloreto de etila com a temperatura para dar corda na mola do relógio.
  • Um dispositivo alimentado por decaimento radioativo de um isótopo com meia-vida relativamente longa ; tal dispositivo poderia operar plausivelmente por centenas ou milhares de anos.
  • O Oxford elétrica Sino e Pilha Karpen impulsionado pela pilha seca baterias.

Baixa fricção

  • No armazenamento de energia do volante , "os volantes modernos podem ter um tempo de redução de carga zero mensurável em anos".
  • Uma vez girados, os objetos no vácuo do espaço - estrelas, buracos negros, planetas, luas, satélites estabilizados por rotação etc. - dissipam energia muito lentamente, permitindo que girem por longos períodos. As marés na Terra estão dissipando a energia gravitacional do sistema Lua / Terra a uma taxa média de cerca de 3,75 terawatts .
  • Em certos sistemas quânticos (como superfluidez e supercondutividade ), movimentos de fricção muito baixos são possíveis. No entanto, o movimento para quando o sistema atinge um estado de equilíbrio (por exemplo, todo o hélio líquido chega ao mesmo nível). Da mesma forma, efeitos aparentemente de reversão de entropia, como superfluidos subindo pelas paredes de recipientes, operam por ação capilar comum .

Experimentos mentais

Em alguns casos, um experimento de pensamento (ou gedanken ) parece sugerir que o movimento perpétuo pode ser possível por meio de processos físicos aceitos e compreendidos. No entanto, em todos os casos, uma falha foi encontrada quando toda a física relevante é considerada. Exemplos incluem:

  • Demônio de Maxwell : originalmente proposto para mostrar que a Segunda Lei da Termodinâmica se aplicava apenas no sentido estatístico, postulando um "demônio" que poderia selecionar moléculas energéticas e extrair sua energia. Análises subsequentes (e experimentos) mostraram que não há maneira de implementar fisicamente tal sistema que não resulte em um aumento geral na entropia .
  • Catraca browniana : neste experimento mental, pode-se imaginar uma roda de pás conectada a uma catraca. O movimento browniano faria com que as moléculas de gás circundantes atingissem as pás, mas a catraca só permitiria que ela girasse em uma direção. Uma análise mais completa mostrou que quando uma catraca física era considerada nesta escala molecular, o movimento browniano também afetaria a catraca e faria com que ela falhasse aleatoriamente, resultando em nenhum ganho líquido. Portanto, o dispositivo não violaria as leis da termodinâmica .
  • Energia de vácuo e energia de ponto zero : para explicar efeitos como partículas virtuais e o efeito Casimir , muitas formulações da física quântica incluem uma energia de fundo que permeia o espaço vazio, conhecida como vácuo ou energia de ponto zero. A capacidade de aproveitar a energia do ponto zero para um trabalho útil é considerada uma pseudociência pela comunidade científica em geral. Os inventores propuseram vários métodos para extrair trabalho útil da energia do ponto zero, mas nenhum foi considerado viável, nenhuma reivindicação de extração de energia do ponto zero foi validada pela comunidade científica e não há evidência de que a energia do ponto pode ser usada em violação da conservação de energia.
  • Paradoxo elipsóide : Este paradoxo considera uma cavidade perfeitamente refletindo com dois corpos negros em pontos A e B . A superfície reflectora é constituída por duas secções elípticas E 1 e E 2 e uma secção esférica S , e os organismos a uma e B estão localizados na focos conjunta das duas elipses e B está no centro de S . Esta configuração é tal que, aparentemente corpo negro no B calor acima em relação a A : a radiação proveniente do corpo negro à Um vai pousar sobre e ser absorvida pelo corpo negro em B . Do mesmo modo, os raios de origem a partir do ponto B que em terra de E 1 e E 2 vai ser reflectida para um . No entanto, uma proporção significativa de raios que começar do B vai pousar em S será refletida de volta para B . Este paradoxo é resolvido quando os tamanhos finitos dos corpos negros são considerados, em vez de corpos negros pontuais.
Superfície paradoxo elipsóide e raios emitidos pelo corpo Um na direcção do corpo B . ( A ) Quando os corpos A e B são o ponto como, todos os raios de A deve ser incidente na B . ( B ) Quando os corpos A e B são estendidos, alguns raios de A não será incidente sobre B e podem, eventualmente, voltar a um .

Teorias de conspiração

Apesar de serem consideradas pseudocientíficas , as máquinas de movimento perpétuo se tornaram o foco de teorias da conspiração, alegando que estão sendo ocultadas do público por empresas ou governos, que perderiam o controle econômico se uma fonte de energia capaz de produzir energia barata fosse disponibilizada.

Veja também

Notas

Referências

links externos