Động cơ vĩnh cữu và định luật bảo toàn năng lượng

Động cơ vĩnh cữu và định luật bảo toàn năng lượng

Trường Đại Học Sư Phạm Tp.HCM

-Khoa Vật

Lý -Tiểu Luận

Chủ đề: ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

I.Định luật bảo toàn năng lượng:

1.Nội dung:

Định luật bảo toàn năng lượng, cũng là định luật một nhiệt động lực học (một trong bốn định luật của nhiệt động lực học), phát biểu rằng năng lượng (hoặc đại lượng tương đương của nó là khối lượng tương đối tính) không thể tự nhiên sinh ra hoặc mất đi

Trong toàn vũ trụ, tổng năng lượng không đổi, nó chỉ có thể chuyển từ hệ này sang hệ khác Người ta không thể "tạo ra" năng lượng, người ta chỉ "chuyển dạng" năng lượng mà thôi

Định luật bảo toàn năng lượng là một nguyên lý tổng quát cho tất cả các lý thuyết vật lý (cơ học, điện từhọc, vật lý hạt nhân, ) Chưa từng thấy ngoại lệ của định luật này, tuy rằng đôi khi người ta cũng nghi ngờ nó, nhất là trong các phân rã phóng xạ Tiên đề Noether cho rằng sự bảo toàn năng lượng có liên quan chặt chẽ tới độ đồng dạng về cấu trúc của không-thời gian

2.Ý nghĩa thực tiễn:

Đây là định luật bảo toàn tuyệt đối đúng trong tự nhiên, Định luật bảo toàn năng lượng cũng chính là

định luật 1 nhiệt động lực học Theo định luật này, tổng năng lượng của một hệ kín là không đổi Phát

biểu cách khác:

Nhiệt năng truyền vào một hệ bằng thay đổi nội năng của hệ cộng với công năng mà hệ sinh ra cho môi trường

Một hệ quả của định luật này là khi không có công thực hiện trên hệ, hay hệ không sinh công, đồng thờikhi nội năng của hệ không đổi (nhiều khi được thể hiện qua nhiệt độ không đổi), tổng thông lượng năng lượng đi vào hệ phải bằng tổng thông lượng năng lượng đi ra:

F vào = F ra

F vào = F phản xạ + F bức xạ + F truyền qua

Trong đó:

F bức xạ = F hấp thụ

Động cơ vĩnh cửu là một thiết bị cơ khí do con người tưởng tượng ra, với hy vọng là động cơ này tự

hoạt động mãi mãi mà không cần cung cấp năng lượng Do đi ngược lại với nguyên tắc của Định luật Bảo toàn và chuyển hoá năng lượng, động cơ vĩnh cửu là vấn đề không tưởng Tuy nhiên, trong quá

6trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều kiến thức giúp ích cho việc chế tạo các động cơ tiết kiệm nhiên liệu, giảm ma sát và các công vô ích.

2.Lịch sử về chuyển động vĩnh cửu:

Có một huyền thoại xuất hiện khá sớm , đó là chuyển động vĩnh cửu Người ta tìm thấy những văn bản đầu tiên về chuyển động vĩnh cửu ở thế kỷ V trong 1 bản thảo tiếng Phạn xuất bản ở Italia dưới nhan đề Siddhanta Ciromani

Huyền thoại này xuất hiện trở lại vào thế kỷ XV trong tác phẩm Antrum Magico Medicum của Marc Antoine Zimara , người Italia , ở thế kỷ XVI trong tác phẩm Le Diverse e Artificiose Macchine của Agostino Ramelli , ở thế kỷ XVII trong tác phẩm Theatrum Machinarum Novum của Georg Bockler- người Đức , và bất ngờ hơn, chính Newton vĩ đại , người mơ ước " phản xạ hoặc khúc xạ những tia trọng trường " để " tạo ra chuyển động vĩnh cửu "

Sau đó 1 cỗ máy vĩnh cửu dường như được công khai hoá : 1 công trình nghiên cứu rất nghiêm túc của Arthur Ord- hume nhà sử học Mỹ về các ngành kỹ thuật- cho thấy những cuộc tìm tòi này lên tới đỉnh điểm vào cuối thế kỷ XIX và chỉ thoái trào rất từ từ ở thế kỷ XX

Mặc dù có quyết định của viện hàn lâm khoa học Paris - ngay từ những năm 1775 - không chấp nhận bất cứ kỷ yếu nào về chuyển động vĩnh cửu ( cũng như các kỷ yếu về phép cầu phương hình tròn và sự chia góc làm ba ), hàng vạn bằng sáng chế vẫn được cấp cho đến năm 1911 ở Anh và Mỹ , nơi mà những đơn viết tay được xem xét nếu có kèm theo 1 máy có thể hoạt động

3.Nguyên lý hoạt động của một số dụng cụ được gọi là “Động cơ vĩnh cửu”:

10Bánh xe con lắc

11Bánh xe thủy ngân

Dốc nghiêng Stevin

Các dụng cụ được khẳng định là vẫn chuyển động liên tục mà không cần cấp thêm năng lượng và khôngthực hiện công ra bên ngoài Hiển nhiên những dụng cụ như thế cần có năng lượng để làm cho chúng chuyển động, nhưng sau đó thì không cần nữa Mô tả này không gì khác hơn là một phát biểu của

chuyển động vĩnh cửu nghĩa là gì Những dụng cụ này không có mục đích nào khác ngoài việc làm sửngsốt những người chứng kiến và quấy rầy các nhà vật lí và kĩ thuật Những dụng cụ như thế không nhất

vi phạm bất kì định luật hay nguyên lí vật lí nào Các nguyên tử bền vững là những đối tượng vật chất

có các quá trình nội tại tiếp diễn mãi mãi mà không mất mát năng lượng, nếu như nguyên tử đó không

bị gây nhiễu Cho nên chúng là những thí dụ của “chuyển động vĩnh cửu” (chuyển động mãi mãi), nhưng trong văn cảnh vật lí thì chúng không được gọi là “động cơ vĩnh cửu”

Thuật ngữ đó dùng để chỉ một dụng cụ vi phạm một hoặc nhiều định luật của nhiệt động lực học Đây là

vì từ “động cơ” được dành để chỉ những dụng cụ thực hiện công ra bên ngoài, và những hệ biến đổi liêntục này thì không thực hiện công như thế.Những dụng cụ được khẳng định vẫn chuyển động mà không cần cấp năng lượng trong khi tạo năng lượng ra bên ngoài Những dụng cụ được đề xuất như vậy có thể

yêu cầu một cú đẩy để đưa chúng vào khởi động, nhưng sau đó thì không cần cấp năng lượng nữa Đây

là loại máy mà các nhà phát minh tìm kiếm Thỉnh thoảng nhà phát minh từ chối cắt pin khởi động sau khi cỗ máy đã chuyển động Thật đáng nghi ngờ Những dụng cụ yêu cầu cấp năng lượng vào để duy trìchuyển động, nhưng được khẳng định là tạo năng lượng ra lớn hơn năng lượng cấp vào Ngày nay, một

số người gọi đây là động cơ “siêu đơn vị”, vì nhà phát minh ra chúng khẳng định chúng có hiệu suất lớnhơn một Rõ ràng một cỗ máy như vậy (nếu nó tồn tại) có thể được thao tác kĩ thuật để là một động cơ loại (2) đơn giản bằng cách làm lệch hướng một phần năng lượng ra và đưa nó trở lại cấp nguồn để điềukhiển cỗ máy Thật lạ, những người phát minh khẳng định chế tạo được động cơ siêu đơn vị lại từ chối bất kì đề xuất nào làm như thế này để chứng minh một cách thuyết phục những khẳng định của họ cho

cỗ máy đó Thật đáng nghi ngờ.Những dụng cụ rút ra được một phần “năng lượng tự do” giả định mà các nhà phát minh tưởng tượng lấp đầy toàn bộ không gian Thường thì năng lượng của ête truyền ánh

“năng lượng tự do”, hay rằng “năng lượng tự do” là một đặc điểm tinh vi khác của năng lượng bình thường

4.Các loại động cơ vĩnh cữu:

4.1 Động cơ vĩnh cữu loại 1:

Là loại động cơ có Q=0 và A>0, nó không sử dụng nguồn nhiệt nào cả từ bên ngoài nhưng lại muốn sinh ra công cơ học đi lại với nguyên lý thứ I của nhiệt động lực học nên động cơ vĩnh cữu loại 1 là điềukhông thể có trong thực tế chỉ là những ý tưởng độc đáo và khát vọng của con người muốn có một loại động cơ vĩnh cữu như vậy

4.1.1 động cơ vĩnh cửu sử dụng cơ học:

a.Bánh xe siêu cân bằng:

Cỗ máy chuyển động vĩnh cửu kiểu bánh xe siêu cân bằng hình như bắt nguồn ở Ấn Độ, vào thế kỉ thứ

8 (tính theo lịch Anh quốc) Trong cuốn sách Sysyadhivrddhida Tantra (năm 748), nhà thiên văn học người Ấn Lalla đã mô tả một cái bánh xe tự quay điều khiển bởi thủy ngân di chuyển trong các nan hoa xếp cong của nó

19Một biến thể khác của ý tưởng này được mô tả bởi tác giả người Ấn Bhaskara (khoảng năm 1159) Nó

là một cái bánh xe với các bình chứa thủy ngân xung quanh mép vành của nó Như bánh xe quay, thủy

ngân được cho di chuyển bên trong các bình chứa theo kiểu sao cho bánh xe sẽ luôn luôn nặng hơn ở một bên trục

Ý tưởng này xuất hiện trở lại ở châu Âu vào năm 1235 khi kiến trúc sư người Pháp Villard de

Honnecourt mô tả một bánh xe siêu cân bằng với những cái búa nối bản lề đặt cách đều nhau xung quanh vành của nó Hình bên dưới thể hiện một phối cảnh mơ hồ của nó Bánh xe thật ra được giữ vuông góc với khung và với trục nằm ngang Mô tả của Villards (đã dịch) như sau:

21

Nhiều khi, một người thợ khéo léo đã cố gắng sáng chế ra một cái bánh xe tự nó quay; đây là một cách chế tạo bánh xe kiểu ấy, bằng phương tiện là một số lượng cái vồ không đều, hoặc bằng hoạt chất (thủy ngân).

Việc nhắc tới hoạt chất (thủy ngân) cho thấy dụng cụ của Villard tương tự với dụng cụ Bhaskara, người

có mẫu thiết kế đã du nhập tới châu Âu Villard khẳng định cỗ máy của ông sẽ có ích cho việc cưa gỗ vànâng các tải trọng

b.Dốc nghiêng-quả cầu của Stevin:

Nhà toán học và kĩ sư Simon Stevin (1548-1620) là người đã nghiên cứu các nguyên lí của cơ học và các cỗ máy Ông đã thấy nhiều đề xuất động cơ vĩnh cửu Một đề xuất đặc biệt gây sự chú ý của ông: một chuỗi quả cầu trên một cặp mặt nghiêng không đối xứng Một số người chế tạo khẳng định rằng thiết bị sẽ tự chạy vì có nhiều quả cầu hơn, và do đó có sức nặng lớn hơn, ở một phía của thiết bị Họ đảm bảo rằng nó sẽ hoạt động nếu bạn chỉ cần tống tiễn nốt thứ lực ma sát phiền hà kia

24

Thí nghiệm dốc nghiêng-quả cầu của Stevin

Stevin đã phân tích thiết bị này và chứng tỏ rằng chuỗi quả cầu sẽ không chuyển động, vì thực ra thì hệ đang ở trạng thái cân bằng tĩnh Trong khi phân tích, ông đã phát minh ra một nguyên tắc quan trọng

dùng trong phân tích các cỗ máy: Nguyên tắc Công ảo có thể tìm thấy ngay cả trong các sách vở cơ kĩ thuật ngày nay Nguyên tắc này quan trọng đến mức hình vẽ chuỗi quả cầu này xuất hiện ngay trên trang nhất của quyển sách của Stevin viết về cơ học, và trên mộ bia của ông

Thành tựu của Stevin là một thí dụ có từ sớm về cách thức người ta có thể cẩn thận phân tích một cơ hệ

để xác định xem nó có hoạt động hay không (và hoạt động như thế nào) Stevin hoàn thành kì công này

từ lâu trước khi phép phân tích lực được người ta hiểu rõ, và trước khi có các định luật của nhiệt động lực học Stevin còn đưa ra thủ thuật hữu ích trong việc phân tích cơ học trong trường hợp “lí tưởng” trong đó ma sát được giả sử không có mặt

27

Simon Stevin (1548-1620)

Nguyên lí Stevin có ích trong các bài toán cân bằng, và nó tương đương về mặt toán học với phép phân tích lực Trong một cơ hệ, có phải mọi thứ tự do chuyển động hay không? Một cách giải quyết vấn đề làkhảo sát các lực và mômen quay đặt vào mỗi phần của hệ Nếu chúng cộng lại bằng không, thì những

bộ phận đó sẽ không thu gia tốc

Nguyên tắc Stevin cho phép chúng ta làm như vậy theo một kiểu khác (nhưng tương đương) Phương pháp đó bắt đầu bằng việc tưởng tượng ra một sự “dịch chuyển ảo” của hệ, sau đó tính công sẽ được thực hiện bởi mỗi lực trong chuyển động “ảo” này Công này được gọi là “công ảo” Nếu như tổng công

thực hiện bởi các lực ảo là bằng không, thì hệ ở trạng thái cân bằng, và sẽ không thu gia tốc Trên thực

tế, phép phân tích này thường được thực hiện bằng cách tưởng tượng ra những sự dịch chuyển rất nhỏ [Các dịch chuyển ảo không nhất thiết phải có thực hay là khả năng có thể xảy ra Ví dụ, để tính lực căngtrong một dầm cầu, người ta có thể tưởng tượng dầm cầm đó bị gãy hoặc bị cắt ra và các mảnh được phép chuyển động.]

Phương pháp này đặc biệt có ích đối với những hệ không ma sát hoặc gần như thế Phương pháp này thật lí tưởng cho việc khảo sát các đề xuất động cơ vĩnh cửu Nó là một thí nghiệm Gedanken (tưởng tượng), nhưng khi trong tay chẳng có mô hình máy nào hoạt động được thì đó là tất cả những gì chúng

ta phải làm Chúng ta hãy tưởng tượng hệ không có ma sát (để cho tiện lợi với nhà phát minh), sau đó

nếu chúng ta có thể chỉ ra rằng ngay cả với tiện lợi này mà cỗ máy vẫn không thể hoạt động như đã khẳng định, thì chúng ta có thể giới thiệu đề xuất đó với Bảo tàng của những thiết bị không bao giờ hoạtđộng

31

Trước khi ta quay trở lại với bài toán của Stevin về hai bờ dốc nghiêng và chuỗi quả cầu, trước hết hãy xét bài toán có liên quan là một con dốc kép có chiều cao z và chiều dài dốc là x và y Giả sử x < y Mộtvật nặng A ở trên bờ dốc x và một vật nặng B ở trên bờ dốc y Chúng được nối với nhau bằng một sợi dây vắt qua một cái ròng rọc ở trên đỉnh dốc

Ghi nhớ: Công được thực hiện trên một vật khi nó chuyển động dưới tác dụng của một lực nào đó Công là tích của thành phần lực theo hướng của chuyển động và khoảng cách mà vật đã di chuyển.

Hãy tưởng tượng một chuyển động của A leo lên bờ dốc chiều dài x di chuyển khối lượng A một khoảng cách thẳng đứng z Chuyển động này làm cho B di chuyển một khoảng cách bằng x xuống bờ dốc của nó, hay một phần x/y của chiều dài của bờ dốc đó, và do đó di chuyển một khoảng cách thẳng

Nguyên tắc công ảo có thể mở rộng cho các mômen lực, và ở dạng hiện đại, nó được phát biểu như sau:

Nếu như công ảo thực hiện bởi toàn bộ các ngoại lực (và mômen lực) tác dụng lên một hạt, một vật rắn, hay một hệ các vật rắn liên kết với các kết nối và vật đỡ lí tưởng (không có ma sát) bằng không đối với tất cả những dịch chuyển ảo của hệ, thì hệ đó ở trạng thái cân bằng.

Chúng ta không nên bỏ qua vòng dây bên dưới, vì nó đang thực hiện vai trò rất quan trọng ở đây Trongbất kì chuyển động ảo (tưởng tượng) nào, nó đang tiếp tế vật nặng mới cho phần chuỗi nằm trên một

bên của bờ dốc đúng bằng tốc độ mà phần chuỗi ở phía bên kia của bờ dốc mất vật nặng Nó đang cung cấp động lượng cho một đoạn của chuỗi ở tốc độ bằng với tốc độ mất động lượng từ đoạn bên kia Tuy nhiên, việc này chẳng cải thiện cơ hội thực hiện công của cỗ máy Nó là một cơ chế giữ cho phần dốc của hệ không thay đổi theo thời gian, ngay cả trong chuyển động ảo Chúng ta sẽ thấy quá trình này thực hiên công (công ảo, tất nhiên) trong nhiều đề xuất động cơ vĩnh cửu khác

Chúng ta có thể phát biểu lại nguyên tắc Stevin ở một dạng dễ áp dụng trực tiếp hơn cho các dụng cụ được khẳng định là những cỗ máy chuyển động vĩnh cửu:

Nếu một chuyển động giả định (ảo) của cỗ máy mang lại một trạng thái cuối cùng của hệ (cỗ máy và môi trường tương tác của nó) không thể phân biệt với trạng thái ban đầu của nó, và công toàn phần

“Cỗ máy đó chắc chắn sẽ quay” Nó lập tức khiến người ta nghi ngờ bánh xe Honnecort cũng như bài toán ban đầu của Stevin về chuỗi quả cầu trên dốc nghiêng Đa số thí dụ trong sách vở của nguyên tắc Stevin chỉ thể hiện những trường hợp trong đó trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng của hệ khác

Nhắc lại với hình ảnh hai dốc nghiêng Nếu người ta tưởng tượng chuỗi quả cầu chịu một chuyển động

ảo mang mỗi quả cầu đến vị trí chiếm giữ bởi quả cầu tiếp theo, thì các trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng là giống hệt nhau Nguyên tắc Stevin khi đó phát biểu rằng chuỗi quả cầu sẽ không tự trải quachuyển động này

c.Động cơ lò xo của Gramatke:

Sau hơn tám thế kỉ phát minh không hiệu quả, đây là một ý tưởng chuyển động vĩnh cửu trong thế kỉ 21 Do Donald Simanek và Hans-Peter Gramatke phát minh

ra vào năm 2005, nó có tính đơn giản kinh điển Nó sử dụng các nguyên tắc lâu đời của sự siêu cân bằng, sự hồi tiếp dương, và các lực không có phản lực Một lò

xo cuộn lại liên tục dưới sức căng do hai bánh răng nối với một chuỗi ngăn trở hoặc băng tải, toàn bộ mọi thứ được sắp xếp sao cho lò xo ở phía bên phải liên

40

41

Động cơ đã vi phạm nguyên lý thứ nhất của thuyết Động Lực Học nên nó không bao giờ hoạt động được mà chỉ tồn tại triong ý nghĩ của các thời đó và là câu đố chưa có lời giải cho các nhà vật lý học ngày nay

44

45

46

Lý tưởng về một cái máy bơm tự hoạt động đã được xác lập khi Leonardo da Vinci (1452-1519) biên soạn những tài liệu của ông về máy móc và các vấn đề khoa học Trong một trang có trình bày phương pháp nâng nước lên như chúng ta thấy ở đây Đây là đai ốc vô tận Archimede lái bằng bánh xe nước, nâng nước lên đỉnh bánh xe nước Đây là những cái gọi là “cối xay khép kín” Nếu như Leonardo khônghiểu trọn vẹn về hành vi của nước, thì ông không hề đơn độc, vì vẫn có nhiều người hiểu sai về sức nước cho đến tận thế kỉ 17 Ngay cả một số kĩ sư thực tế vẫn cho rằng nước có sức mạnh nội tại, hay

“cuộc sống riêng của nó”