Вечното движение е движение на тела, което продължава безкрайно в ненарушавана система. Машината за вечно движение е хипотетичен механизъм, способен да извършва работа неограничено дълго време без външен източник на енергия. Такъв тип машина е невъзможен, тъй като съществуването ѝ би нарушило първия и/или втория закон на термодинамиката. Да ги приведем за пълнота:

Първи закон: това е законът за запазване и преобразуване на енергията, приложен към топлинни процеси.  Той твърди, че пълният входящ енергиен поток в една система трябва да е равен на пълния изходящ енергиен поток на системата плюс изменението на вътрешната енергия на системата. Връзката на закона с вечните двигатели е, че не можем да създадем машина, която да произвежда енергия от нищото.

Вторият закон на термодинамиката, наричан и „Закон за ентропията“ гласи, че   ентропията на затворена система, която не се намира в равновесие, нараства с времето, като достига максималната си стойност при достигане на равновесие. Друга формулировка на закона е, че температурите на системи, намиращи се в контакт една с друга, се стремят да се изравнят. В процеса на изравняване се извършва работа , но при този процес се губи топлина за сметка на нарастване на ентропията. Ентропията е физична величина, която измерва степента на безпорядък в една термодинамична система

Тези термодинамични закони са в сила независимо от мащаба на системата. Следователно машини, извличащи енергия от крайни източници, не могат да функционират безкрайно, тъй като се задвижват от енергията, съхранена в източника, която в крайна сметка ще се изчерпи. Често срещан пример са устройствата, задвижвани от океански течения – енергия, която в крайна сметка произтича от Слънцето, а то самото също в крайна сметка ще угасне.

Историята на машините за вечен двигател датира от Средновековието. В продължение на хилядолетия не е било ясно дали устройствата за вечен двигател са възможни, докато развитието на съвременните термодинамични теории не доказва тяхната невъзможност. Въпреки това са правени множество опити за създаване на такива машини, които продължават и в наши дни. Съвременните конструктори и привърженици често използват други термини, като например „свръхефективност“ (или „over-unity“),за да опишат своите изобретения.

Основни принципи 

    „О, вие, търсачи на вечен двигател, колко ли напразни химери сте преследвали? Идете и заемете мястото си при алхимиците“ - Леонардо да Винчи, 1494 г

Съществува научен консенсус, че вечният двигател в изолирана система нарушава или първия, или втория закон на термодинамиката (или и двата). Първият закон на термодинамиката е разновидност на закона за запазване на енергията. Вторият закон може да бъде формулиран по няколко начина, като най-интуитивният от тях гласи, че топлината преминава спонтанно от по-горещи към по-студени места; в случая е важно, че законът отчита наличието на триене (или подобен на него процес) при всяко макроскопично явление. Друга формулировка гласи, че нито една топлинна машина (машина, която извършва работа, пренасяйки топлина от зона с по-висока към зона с по-ниска температура) не може да бъде по-ефективна от топлинната машина на Карно, работеща при същите две температури.

С други думи:

1.  В която и да е изолирана система не може да се създава нова енергия (закон за запазване на енергията). В резултат на това топлинният коефициент на полезно действие – съотношението между получената полезна работа (мощност) и вложената топлинна мощност – не може да бъде по-голям от единица.
2.     Полезната мощност на топлинните двигатели винаги е по-малка от вложената топлинна мощност. Останалата част от подадената топлинна енергия се губи, отдавайки се като топлина в околната среда. Следователно топлинният коефициент на полезно действие има максимална стойност, определена от КПД на Карно, който винаги е по-малък от единица.
3.     Ефективността на реалните топлинни двигатели е дори по-ниска от КПД на Карно поради необратимостта на процесите, произтичаща от скоростта им, включително от триенето.

Твърдения 2 и 3 се отнасят за топлинните двигатели. Други видове двигатели, които преобразуват например механична в електромагнитна енергия, не могат да работят със 100 % ефективност, тъй като е невъзможно да се създаде система, свободна от енергийни загуби.

Машини, които спазват и двата закона на термодинамиката, като черпят енергия от нетрадиционни източници, понякога биват наричани „вечни двигатели“, въпреки че не отговарят на стандартните критерии за това определение. Като пример могат да се посочат часовници и други устройства с ниска консумация на енергия – като например часовникът на Кокс (Cox's timepiece) – проектирани да работят благодарение на разликите в атмосферното налягане или температурата между деня и нощта. Тези машини разполагат с източник на енергия, макар и невинаги очевиден, поради което само изглежда, че нарушават законите на термодинамиката.

Дори машините, които извличат енергия от дълготрайни източници – като океанските течения – ще спрат да работят, когато самите източници на енергия неизбежно се изчерпят. Те не са вечни двигатели, тъй като консумират енергия от външен източник и не представляват изолирани системи.

Броят на списание Popular Science от октомври 1920 г., посветен на вечния двигател. Въпреки че учените са установили несъвместимостта на вечния двигател със законите на физиката, идеята продължава да завладява въображението на изобретателите

Класификация

Една от класификациите на вечните двигатели се основава на конкретния закон на термодинамиката, който се твърди, че те нарушават.

1.     Вечен двигател от първи род извършва работа без влагане на енергия. По този начин той нарушава закона за запазване на енергията.
2.     Вечен двигател от втори род е машина, която спонтанно преобразува топлинна енергия в механична работа. Когато топлинната енергия е еквивалентна на извършената работа, това не нарушава закона за запазване на енергията. Той обаче нарушава по-сложния втори закон на термодинамиката при цикличен процес (вж. също ентропия). Характерна особеност на вечния двигател от втори род е участието само на един топлинен резервоар, който се охлажда спонтанно, без да се предава топлина към по-студен резервоар. Такова преобразуване на топлина в полезна работа без страничен ефект е невъзможно според втория закон на термодинамиката.
3.     Вечен двигател от трети род се дефинира като такъв, който напълно елиминира триенето и другите дисипативни сили, за да поддържа движението си безкрайно дълго благодарение на инерцията на масата (в случая „трети“ се отнася единствено до мястото в горепосочената класификация, а не до третия закон на термодинамиката). Създаването на такава машина е невъзможно[12][13], тъй като дисипацията никога не може да бъде напълно елиминирана в механична система, независимо колко близо се доближава тя до този идеал (вж. примерите в раздел „Ниско триене“ по-долу).

Невъзможност

Терминът „епистемична невъзможност“ описва явления, които е абсолютно невъзможно да се случат в рамките на настоящата ни формулировка на физичните закони. Именно това тълкуване на думата „невъзможно“ се има предвид при обсъждането на невъзможността за вечен двигател в затворена система.

Законите за запазване са особено устойчиви от математическа гледна точка. Теоремата на Еми Ньотер, доказана математически през 1915 г., гласи, че всеки закон за запазване може да бъде изведен от съответна непрекъсната симетрия на действието на дадена физична система. Симетрията, еквивалентна на закона за запазване на енергията, е инвариантността на физичните закони спрямо времето. Следователно, ако законите на физиката не се променят с течение на времето, от това следва запазването на енергията. За да бъде нарушен законът за запазване на енергията по начин, позволяващ вечен двигател, би било необходимо да се променят самите основи на физиката.

Научните изследвания, целящи да установят дали законите на физиката са инвариантни във времето, използват телескопи за наблюдение на Вселената в далечното минало, за да проверят – доколкото позволяват възможностите за измерване – дали някогашните звезди са били идентични със съвременните. Съпоставянето на различни измервания, като спектроскопия, директно определяне на скоростта на светлината в миналото и други подобни методи, показва, че физиката е останала по същество непроменена (ако не и напълно идентична) през целия период на наблюдаемата история, обхващащ милиарди години.

Принципите на термодинамиката са толкова добре установени – както теоретично, така и експериментално, – че предложенията за вечни двигатели биват единодушно отхвърляни от физиците. Всяка предложена концепция за вечен двигател представлява потенциално поучително предизвикателство за физиците: те са сигурни, че устройството не може да работи, и затова трябва да обяснят защо се проваля. Трудността (а и стойността) на подобно начинание зависи от това колко е сложна и задълбочена самата идея; най-добрите примери често произлизат от мисловни експерименти на самите физици и нерядко хвърлят светлина върху определени аспекти на физиката. Така например, мисловният експеримент с „броунов тресчотков механизъм“ (Brownian ratchet) като вечен двигател е обсъден за първи път от Габриел Липман (Gabriel Lippmann) през 1900 г., но едва през 1912 г. Мариан Смолуховски (Marian Smoluchowski) дава адекватно обяснение защо той не може да функционира.[18] Въпреки това, през този дванадесетгодишен период учените не са вярвали, че такъв двигател е възможен; те просто не са били наясно с точния механизъм, поради който той неизбежно би се оказал неработещ.

Колелото с изместен център на тежестта „Колелото с изместен център на тежестта“, с отбелязани разстояния на тежестите от централната линия, показващи, че въртящите моменти от двете страни се изравняват средно. Кредит: Wikimedia Commons

    „Законът, че ентропията винаги нараства – вторият закон на термодинамиката – заема, според мен, върховно място сред законите на природата. Ако някой ви посочи, че любимата ви теория за Вселената противоречи на уравненията на Максуел – тогава толкова по-зле за уравненията на Максуел. Ако се окаже, че тя противоречи на наблюденията – е, експериментаторите понякога наистина бъркат. Но ако се установи, че теорията ви противоречи на втория закон на термодинамиката, не мога да ви дам никаква надежда; не остава нищо друго, освен тя да се срине под тежестта на дълбоко унижение“ - сър Артър Стенли Едингтън, ,,Природата на физичния свят“, 1927 г

В средата на XIX век Хенри Диркс ( Henry Dircks) изследва историята на експериментите за създаване на вечен двигател, като отправя язвителни нападки срещу онези, които продължават да се опитват да постигнат нещо, което той смята за невъзможно: ,,Има нещо жалко, унизително и почти безумно в това с упорита настойчивост да се преследват утопичните замисли на отминали епохи – и то в области на познанието, вече изследвани от по-висши умове, с които въпросните авантюристи обаче са напълно незапознати. Историята на вечния двигател е история на безразсъдството на хора, които или са полуобразовани, или напълно невежи“. 

Технологии

Някои често срещани идеи се появяват многократно в проектите за машини за вечно движение. Много от идеите, които се срещат и днес, са формулирани още през 1670 г. от Джон Уилкинс (John Wilkins) – епископ на Честър и деец на Кралското общество. Той очертава три възможни източника на енергия за машина за вечно движение: „химически извлеци“, „магнитни свойства“ и „естественото привличане на гравитацията“.

На пръв поглед загадъчната способност на магнитите да влияят на движението от разстояние, без да е налице видим източник на енергия, отдавна привлича вниманието на изобретателите. Един от най-ранните примери за магнитен двигател е предложен от Уилкинс и впоследствие е многократно копиран: той се състои от наклонена плоскост с магнит в горния край, който привлича метално топче нагоре по нея. Близо до магнита има малък отвор, през който топчето трябва да падне под плоскостта и да се върне в долната ѝ част, откъдето специална клапа му позволява отново да се изкачи до върха. Въпреки това, ако магнитът е достатъчно силен, за да изтегли топчето нагоре по плоскостта, той не може едновременно с това да бъде достатъчно слаб, за да позволи на гравитацията да го издърпа през отвора. За да се справят с този проблем, по-съвременните версии обикновено използват поредица от наклонени плоскости и магнити, разположени така, че топчето да преминава от влиянието на един магнит към друг по време на движението си. Проблемът обаче остава същият.

Гравитацията също действа от разстояние, без видим източник на енергия, но за да се извлече енергия от гравитационно поле (например чрез пускане на тежък предмет, при което по време на падането се генерира кинетична енергия), първо трябва да се вложи енергия (например за повдигането на предмета), като част от нея неизменно се губи (разсейва) в процеса. Типичен пример за използване на гравитацията в машина за вечен двигател е колелото на Бхаскара от XII век; основната идея тук е свързана с концепция, често наричана „колело с изместен център на тежестта“ (или „небалансирано колело“): към колелото са прикрепени подвижни тежести така, че през едната половина от оборота те се спускат в позиция, по-отдалечена от центъра на колелото, а през другата половина – в позиция, по-близка до центъра. Тъй като тежестите, намиращи се по-далеч от центъра, създават по-голям въртящ момент, се е смятало, че колелото ще се върти безкрайно. В действителност обаче, понеже страната с по-отдалечените от центъра тежести разполага с по-малък брой тежести в сравнение с другата страна, въртящите моменти се уравновесяват и вечно движение не се постига.[20] Подвижните тежести могат да бъдат под формата на чукове върху шарнирни рамена, търкалящи се топки или живак в тръби – принципът остава същият.

Друга теоретична машина включва среда без триене за движение. Това включва използването на диамагнитна или електромагнитна левитация за носене на обект. Това се прави във вакуум, за да се елиминира триенето във въздуха и триенето от оста. Левитираният обект след това може свободно да се върти около центъра си на тежестта без смущения. Тази машина обаче няма практическо предназначение, тъй като въртящият се обект не може да извърши никаква работа, тъй като работата изисква левитираният обект да предизвика движение в други обекти, което води до триене в проблема. Освен това, перфектният вакуум е непостижима цел, тъй като както контейнерът, така и самият обект биха се изпарили бавно, като по този начин влошат вакуума.

За да се извлече полезна работа от топлина – и по този начин да се създаде вечен двигател от втори род – най-често прилаганият подход (датиращ още от времето на т.н. ,,демон на Максуел“, вж. по-долу) разчита на еднопосочност. През капака на демона преминават само онези молекули, които се движат с достатъчна скорост и в правилната посока. При „брауновото зъбно колело“ (браунов храпов механизъм) силите, действащи в едната посока, успяват да завъртят колелото, докато силите в обратната посока не могат да сторят това. Диод, поставен в топлинна баня, пропуска ток само в едната посока, но не и в другата. Обикновено тези схеми се провалят по два начина: или поддържането на еднопосочността изразходва енергия (тъй като на „демона на Максуел“ му е необходима повече термодинамична работа, за да измери скоростта на молекулите, отколкото е енергията, получена вследствие на създадената температурна разлика), или еднопосочността се оказва илюзия, при която редките, но значителни отклонения компенсират честите случаи на липса на такива (брауновото зъбно колело е подложено на вътрешни броунови сили и поради това понякога се завърта в погрешната посока).

„Плаващият ремък“. Жълтите елементи представляват поплавъци. Първоначалната идея е била поплавъците да се издигат през течността и да задвижват ремъка. Оказва се обаче, че вкарването на поплавъците във водата в долната част изисква толкова енергия, колкото се генерира от плаваемостта им, а част от енергията се губи. Кредит: Wikimedia Commons

Плаваемостта е още едно явление, което често се разбира погрешно. Някои от предложените проекти за вечни двигатели пренебрегват факта, че за да се изтласка надолу определен обем въздух в течност, е необходима толкова работа, колкото и за издигането на съответен обем течност нагоре срещу силата на гравитацията. Такива устройства могат да включват две камери с бутала и механизъм за изтласкване на въздуха от горната камера към долната, която впоследствие придобива плаваемост и се издига към повърхността. Механизмът за изтласкване в тези конструкции или не би могъл да извърши достатъчно работа, за да премести въздуха надолу, или не би оставил излишна енергия, която да бъде оползотворена.

Патенти

Предложенията за такива неработещи машини са станали толкова чести, че Службата за патенти и търговски марки на САЩ (USPTO) е възприела официална политика да отказва издаването на патенти за машини за вечен двигател, ако липсва работещ модел. В Наръчника за патентна експертиза на USPTO се посочва следното: ,,С изключение на случаите, свързани с вечен двигател, Ведомството обикновено не изисква представянето на модел за доказване на работоспособността на дадено устройство. Ако работоспособността на устройството бъде поставена под съмнение, заявителят трябва да я докаже по начин, удовлетворяващ експерта, като самият заявител може да избере как точно да направи това“.

Освен това: ,,Отказът [да се уважи заявка за патент] на основание липса на полезност обхваща и по-специфичните основания, свързани с неработоспособност, включително при наличие на вечен двигател. Отказът съгласно разпоредбата на 35 U.S.C. 101 поради липса на полезност не следва да се основава на съображения, че изобретението е несериозно, измамно или противоречи на обществения ред“.

Подаването на заявка за патент е административна процедура и USPTO не отказва приемането на заявки за вечни двигатели; заявката се приема и впоследствие най-вероятно се отхвърля от патентния експерт след извършване на формална проверка. Дори да бъде издаден патент, това не означава, че изобретението действително работи, а единствено, че експертът смята, че то работи, или не е успял да установи защо не би работило.

Привидни ,,вечни двигатели"

Тъй като вечният двигател може да бъде дефиниран единствено в рамките на крайна, изолирана система с дискретни параметри, а истински изолирани системи не съществуват (наред с другото, поради квантовата неопределеност), в контекста на настоящата статия е по-уместно понятието „вечно движение“ да се разглежда като „вечен двигател“. Това е така, защото двигателят е „устройство, задвижвано механично, електрически или електронно за изпълнение на определена задача“, докато „движението“ е просто преместване (като например брауновото движение). Независимо от тези разграничения, в макроскопичен мащаб съществуват концепции и технически проекти, предлагащи идеята за „вечно движение“, но при по-задълбочен анализ се установява, че те всъщност „консумират“ някакъв природен ресурс или скрита енергия – например фазови преходи на вода или други флуиди, както и малки естествени температурни градиенти – или просто не са способни да поддържат непрекъсната работа за неопределено време. Най-общо казано, извличането на полезна работа от такива устройства е невъзможно.

Консуматори на енергия

Тук ще изброим съвсем накратко някои известни видове ,,вечни двигатели“, предлагани през годините, и ще обясним защо те не могат да работят. А в следващата статия ще разгледаме подробно тези и други проекти за вечен двигател през вековете: 

1.     Водна помпа, базирана на капилярното действие, работи чрез използване на малки температурни разлики в околната среда и разлики в налягането на парите. При устройството с „капилярен съд“ се е предполагало, че капилярното действие ще поддържа потока на водата в тръбичката. Тъй като обаче силата на сцепление – която първоначално изтегля течността нагоре по тръбичката – същевременно задържа капката и не ѝ позволява да се отдели в съда, потокът не е непрекъснат.

1. Водна помпа. Кредит: Wikimedia Commons
2.     Всяко устройство, задвижвано от промени в атмосферното налягане, като например някои часовници (часовникът на Кокс, часовникът „Бевърли“). Механизмът извлича енергия от движещия се въздух, който от своя страна е получил тази енергия в резултат на външно въздействие.
3.     При термопомпата коефициентът на преобразуване (COP) е по-голям от 1, което означава, че енергията, консумирана под формата на работа, е по-малка от енергията, пренасяна под формата на топлина.
4.     Часовникът „Атмос“ (Atmos) използва промените в налягането на парите на етилхлорида в зависимост от температурата, за да навива пружината си.
5.     Устройство, задвижвано от индуцирани ядрени реакции или от радиоактивен разпад на изотоп със сравнително дълъг период на полуразпад. Такова устройство би могло теоретично да работи в продължение на стотици или хиляди години, но не е вечен двигател.
6.     Оксфордската електрическа камбана и елементът на Карпен се задвижват от батерии тип „сух стълб“ (dry pile). Камбаната не е пример за вечен двигател. Тя в крайна сметка ще спре да звъни, когато сухите стълбове изравнят зарядите си – освен ако езичето не се износи по-рано.

Ниско триене

Що се отнася до маховиковите системи за съхранение на енергия, „съвременните маховици могат да имат време за спиране (при липса на товар), измервано в години“.

Веднъж развъртени, обектите във вакуума на космоса – звезди, черни дупки, планети, луни, стабилизирани чрез въртене спътници и т.н. – губят енергия много бавно, което им позволява да се въртят продължително време. Приливите и отливите на Земята разсейват гравитационната енергия на системата Луна-Земя със средна скорост от около 3,75 теравата.

През 2016 г. са открити нови състояния на материята – времеви кристали, при които съставните атоми извършват непрекъснато повтарящо се движение в микроскопичен мащаб, като по този начин отговарят на буквалното определение за „вечно движение“. Те обаче не представляват машини за вечно движение в традиционния смисъл и не нарушават термодинамичните закони, тъй като се намират в своето квантово основно състояние и от тях не може да се извлече енергия; те демонстрират движение без енергия.

В някои случаи мисловен експеримент сякаш подсказва, че вечният двигател може да бъде възможен чрез приети и добре разбрани физични процеси. Въпреки това, във всички случаи се открива недостатък, когато се вземат предвид всички съответни физични аспекти. Примери за това са:

Демонът на Максуел: Първоначално тази концепция е предложена, за да се покаже, че вторият закон на термодинамиката е валиден само в статистически смисъл; това става чрез постулирането на „демон“, способен да подбира молекули с висока енергия и да извлича енергията им. Последващи анализи (и експерименти) показват, че е невъзможно физическото реализиране на подобна система, без това да доведе до цялостно нарастване на ентропията.

Броунов тресчотен механизъм: В този мисловен експеримент се разглежда колело с лопатки, свързано с тресчотен механизъм. Броуновото движение би накарало околните газови молекули да удрят лопатките, но тресчотният механизъм би позволил въртене само в една посока. По-задълбочен анализ показва, че когато се разглежда реален тресчотен механизъм в такъв молекулярен мащаб, броуновото движение влияе и върху самия механизъм, водейки до случайни откази и липса на какъвто и да е нетен добив на енергия. Следователно устройството не нарушава законите на термодинамиката.

Вакуумна енергия и енергия на нулевото ниво: За да се обяснят явления като виртуалните частици и ефектът на Казимир, в много формулировки на квантовата физика се включва фонова енергия, изпълваща празното пространство – известна като вакуумна енергия или енергия на нулевото ниво. Възможността за оползотворяване на енергията на нулевото ниво за извършване на полезна работа се разглежда от научната общност като псевдонаука. Изобретатели са предлагали различни методи за извличане на полезна работа от енергията на нулевото ниво, но нито един от тях не се е оказал приложим, нито едно твърдение за извличане на такава енергия не е било потвърдено от научната общност и липсват доказателства, че енергията на нулевото ниво може да се използва по начин, нарушаващ закона за запазване на енергията.
Източници:

Perpetual motion - https://en.wikipedia.org/wiki/Perpetual_motion

Laws of thermodynamics - https://en.wikipedia.org/wiki/Laws_of_thermodynamics

Entropy - https://en.wikipedia.org/wiki/Entropy