À medida que a ciência se desenvolve, suas leis cobrem áreas cada vez mais amplas, são refinadas, aproximam-se das leis da natureza e se adaptam a elas. De forma generalizada, a natureza da conexão entre as leis da natureza e as leis da ciência foi claramente expressa por A. Einstein: "Nossas idéias sobre a realidade física nunca podem ser finais e devemos estar sempre prontos para mudar essas idéias." P. L. Kapitsa, que amava os paradoxos, chegou a dizer o seguinte: "Não são as próprias leis que interessam, mas os desvios delas."
Mas os inventores do perpetuum mobile se enganam, contando com uma mudança totalmente possível nas leis da ciência, que ainda não permitem o funcionamento das máquinas de movimento perpétuo. O fato é que as leis da ciência (em particular, a física) não são canceladas, mas complementadas e desenvolvidas.
N. Bohr formulou uma posição geral (1923), refletindo essa regularidade do desenvolvimento da ciência: o princípio da correspondência, que diz que qualquer lei mais geral inclui a antiga lei como um caso especial; ele (antigo) é obtido do novo ao passar para outros valores das quantidades que o definem.
A aprovação da lei da conservação de energia - a primeira lei da termodinâmica - tornou as tentativas de criar uma máquina de movimento perpétuo do primeiro tipo uma busca absolutamente sem esperança. E embora eles ainda estivessem em andamento, a linha principal de pensamento dos criadores do perpetuum mobile mudou. Novas versões de máquinas de movimento perpétuo estão nascendo de acordo com a primeira lei da termodinâmica: quanta energia entra em tal motor, exatamente a mesma quantidade sai.
Como você sabe, a lei da conservação de energia pode ser formulada da seguinte forma um tanto modificada: para todos os processos de conversão de energia, a soma de todos os tipos de energia que participam desse processo deve permanecer inalterada. Tal formulação, embora não permita a possibilidade de criar energia do nada, deixa em aberto outra forma de realizar uma máquina de movimento perpétuo, cujo princípio de funcionamento estaria baseado na transformação ideal de uma forma de energia em outra.
Era sabido que o trabalho em motores é feito quando um corpo quente emite calor para um gás ou vapor e o vapor funciona, por exemplo, movendo um pistão. No entanto, descobriu-se que não havia como fazer a energia de um corpo mais frio ir para um mais quente. Mas para criar uma máquina de movimento perpétuo, é necessário que ao mesmo tempo o trabalho seja feito.
Como resultado do desenvolvimento da termodinâmica, com base nos trabalhos de Sadi Carnot, Rudolph Clausius mostrou que é impossível um processo no qual o calor passaria espontaneamente de corpos mais frios para corpos mais quentes. Neste caso, não apenas uma transição direta é impossível, mas também impossível realizá-la com a ajuda de máquinas ou dispositivos sem que outras mudanças ocorram na natureza.
William Thomson (Lord Kelvin) formulou o princípio da impossibilidade de uma máquina de movimento perpétuo do segundo tipo (1851), uma vez que os processos são impossíveis na natureza, cuja única consequência seria o trabalho mecânico realizado pelo resfriamento de um reservatório de calor.
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Investigando a questão de um novo tipo de perpetuum mobile no início do século XX. o famoso físico e químico alemão Wilhelm Ostwald estudou. Ele chamou a máquina ideal, capaz de ciclicamente e sem perdas, converter energia de uma forma para outra, ele chamou de máquina de movimento perpétuo de segundo tipo. Como pode ser visto, mesmo após o abandono da possibilidade de criar uma máquina de movimento perpétuo do primeiro tipo, o problema do movimento perpétuo ainda permanece em aberto. No entanto, as máquinas de movimento perpétuo do primeiro e do segundo tipo já são significativamente diferentes umas das outras. Se a função da máquina de movimento perpétuo do primeiro tipo declarada pelos cientistas como inviável consistia no desempenho contínuo de trabalho útil sem repor as reservas de energia de fontes externas, então apenas a capacidade de transformar idealmente a energia era necessária da máquina de movimento perpétuo do segundo tipo.
De acordo com a primeira lei da termodinâmica, o calor equivale à energia mecânica, portanto, sem contradizer o primeiro princípio, é bem possível construir uma máquina que retire calor de um corpo que tem a temperatura do ar circundante, ou, por exemplo, retire calor da água de grandes reservatórios e atue devido a este trabalho mecânico. Se convertermos a energia mecânica agora recebida de volta em calor, surge um ciclo fechado de conversão de energia, baseado no princípio de uma máquina de movimento perpétuo de segundo tipo.
No entanto, tais fenômenos nunca são encontrados na vida cotidiana. Em uma sala quente, uma garrafa de leite retirada da geladeira esquenta e um copo de chá quente esfria. Além disso, um líquido frio, quando aquecido, diminui imperceptivelmente a temperatura do ar em uma sala, enquanto um líquido quente a aumenta. Ao mesmo tempo, nunca acontece que um corpo frio esfrie por si mesmo ou um quente se aqueça. Para tal resfriamento, são utilizadas unidades de refrigeração especiais, que, no entanto, necessitam de fornecimento constante de energia de fontes externas. Ao mesmo tempo, o resfriamento espontâneo de um corpo frio ou o aquecimento de um corpo quente não contradiz de forma alguma a primeira lei da termodinâmica. Portanto, é óbvio que a redação desta lei deve ser de alguma forma esclarecida e complementada.
A segunda lei da termodinâmica elimina a incompletude da lei da conservação da energia, que não distinguia entre processos reversíveis e irreversíveis e, assim, deixava uma esperança ilusória para aqueles que não queriam suportar a impossibilidade de criar um perpetuum mobile. Este princípio físico impõe uma restrição na direção dos processos que podem ocorrer em sistemas termodinâmicos. A segunda lei da termodinâmica proíbe as chamadas máquinas de movimento perpétuo de segundo tipo, mostrando que a eficiência não pode ser igual a um, uma vez que para um processo circular a temperatura do refrigerador não pode ser igual a zero absoluto (é impossível construir um ciclo fechado passando por um ponto com temperatura zero).
Existem várias formulações equivalentes da segunda lei da termodinâmica:
Postulado de Clausius: “Um processo circular é impossível, o único resultado do qual é a transferência de calor de um corpo menos aquecido para outro mais aquecido” (este processo é chamado de processo de Clausius).
Postulado de Thomson (Kelvin): “Um processo circular é impossível, o único resultado do qual seria a produção de trabalho pelo resfriamento do reservatório de calor” (este processo é chamado de processo Thomson).
Outra formulação da segunda lei da termodinâmica é baseada no conceito de entropia:
"A entropia de um sistema isolado não pode diminuir" (a lei da entropia não decrescente). Em um estado com entropia máxima, os processos irreversíveis macroscópicos (e o processo de transferência de calor é sempre irreversível devido ao postulado de Clausius) são impossíveis.
Quando foi criada a termodinâmica estatística, que se baseava em conceitos moleculares, descobriu-se que a segunda lei da termodinâmica tem um caráter estatístico: é válida para o comportamento mais provável do sistema. A existência de flutuações impede sua implementação precisa, mas a probabilidade de qualquer violação significativa é extremamente pequena. Ou seja, a transição de calor de um corpo frio para um mais quente é possível, mas este é um evento extremamente improvável. E na natureza, os eventos mais prováveis acontecem.
Leia também "Máquina de movimento perpétuo do primeiro tipo" e "Máquina de movimento perpétuo do terceiro tipo"
