W miarę rozwoju nauki jej prawa obejmują coraz szersze obszary, są udoskonalane, zbliżają się do praw natury i stają się do nich adekwatne. W uogólnionej formie natura związku między prawami natury a prawami nauki została jasno wyrażona przez A. Einsteina: „Nasze idee dotyczące rzeczywistości fizycznej nigdy nie mogą być ostateczne i zawsze musimy być gotowi do ich zmiany”. P. L. Kapitsa, który kochał paradoksy, powiedział nawet: „Interesujące są nie same prawa, ale odstępstwa od nich”.
Jednak twórcy perpetuum mobile są w błędzie, licząc na całkowicie możliwą zmianę praw nauki, które nie pozwalają jeszcze na działanie perpetuum mobile. Faktem jest, że prawa nauki (w szczególności fizyki) nie są anulowane, ale uzupełniane i rozwijane.
N. Bohr sformułował ogólne stanowisko (1923), odzwierciedlające tę prawidłowość rozwoju nauki: zasadę zgodności, która mówi, że każde prawo bardziej ogólne obejmuje stare prawo jako przypadek szczególny; to (stary) uzyskuje się z nowego przy przechodzeniu do innych wartości wielkości go definiujących.
Przyjęcie prawa zachowania energii - pierwszej zasady termodynamiki - uczyniło próby stworzenia perpetuum mobile pierwszego rodzaju całkowicie beznadziejnymi. I choć nadal trwały, zmienił się główny kierunek myślenia twórców perpetuum mobile. Powstają nowe wersje perpetuum mobile w pełnej zgodności z pierwszą zasadą termodynamiki: ile energii wchodzi do takiego silnika, dokładnie tyle samo wychodzi.
Jak wiadomo, prawo zachowania energii można sformułować w nieco zmodyfikowanej formie: dla wszystkich procesów konwersji energii suma wszystkich rodzajów energii uczestniczących w tym procesie musi pozostać niezmieniona. Takie sformułowanie, choć nie dopuszcza możliwości wytwarzania energii z niczego, otwiera jednak inny sposób realizacji perpetuum mobile, której zasada działania opierałaby się na idealnej przemianie jednej formy energii w inną.
Wiadomo było, że praca w silnikach jest wykonywana, gdy rozgrzany korpus oddaje ciepło gazowi lub parze, a para działa np. Poruszając tłokiem. Okazało się jednak, że nie ma sposobu, aby energia z zimniejszego ciała przeszła w cieplejsze. Ale aby stworzyć perpetuum mobile, konieczne jest, aby praca była wykonywana w tym samym czasie.
W wyniku rozwoju termodynamiki, opartego na pracach Sadi Carnota, Rudolf Clausius wykazał, że niemożliwy jest proces, w którym ciepło samorzutnie przechodziło z zimniejszych ciał do cieplejszych. W tym przypadku niemożliwe jest nie tylko bezpośrednie przejście - niemożliwe jest również przeprowadzenie go przy pomocy maszyn czy urządzeń bez innych zmian zachodzących w przyrodzie.
William Thomson (Lord Kelvin) sformułował zasadę niemożliwości perpetuum mobile drugiego rodzaju (1851), ponieważ procesy są z natury niemożliwe, a jedyną konsekwencją byłaby praca mechaniczna wykonywana przez chłodzenie zbiornika ciepła.
Film promocyjny:
Badanie problemu nowego typu perpetuum mobile na początku XX wieku. studiował słynny niemiecki fizyk i chemik Wilhelm Ostwald. Nazwał idealną maszynę, zdolną do cyklicznego i bez strat przekształcania energii z jednej postaci w drugą, nazwał perpetuum mobile drugiego rodzaju. Jak widać, nawet po rezygnacji z możliwości stworzenia perpetuum mobile pierwszego rodzaju problem perpetuum mobile pozostaje otwarty. Jednak perpetuum mobile pierwszego i drugiego rodzaju już znacznie się od siebie różnią. Gdyby funkcja perpetuum mobile pierwszego rodzaju, uznana przez naukowców za niewykonalną, polegała na ciągłym wykonywaniu użytecznej pracy bez uzupełniania zapasów energii ze źródeł zewnętrznych, to od perpetuum mobile drugiego rodzaju wymagana była tylko zdolność do idealnego przekształcania energii.
Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki ciepło jest równoważne energii mechanicznej, dlatego nie zaprzeczając pierwszej zasadzie, całkiem możliwe jest zbudowanie maszyny, która pobiera ciepło z ciała, które ma temperaturę otaczającego powietrza lub na przykład pobiera ciepło z wody z dużych zbiorników i działa dzięki ta praca mechaniczna. Jeśli zamienimy otrzymaną teraz energię mechaniczną z powrotem na ciepło, wówczas powstaje zamknięty cykl konwersji energii, oparty na zasadzie perpetuum mobile drugiego rodzaju.
Jednak takie zjawiska nigdy nie występują w życiu codziennym. W ciepłym pomieszczeniu butelka mleka wyjęta z lodówki nagrzewa się, a szklanka gorącej herbaty stygnie. Dodatkowo zimna ciecz po podgrzaniu niepostrzeżenie obniża temperaturę powietrza w pomieszczeniu, a gorąca ją podwyższa. Jednocześnie nigdy nie zdarza się, żeby zimne ciało samoistnie się ochłodziło, a gorące się rozgrzało. Do takiego chłodzenia stosuje się specjalne agregaty chłodnicze, które jednak wymagają stałego dopływu energii ze źródeł zewnętrznych. Jednocześnie samoistne chłodzenie zimna lub nagrzewanie się gorącego ciała wcale nie jest sprzeczne z pierwszą zasadą termodynamiki. Dlatego jest oczywiste, że brzmienie tej ustawy powinno zostać w jakiś sposób wyjaśnione i uzupełnione.
Drugie prawo termodynamiki eliminuje niekompletność prawa zachowania energii, które nie rozróżniało procesów odwracalnych i nieodwracalnych, pozostawiając tym samym złudną nadzieję dla tych, którzy nie chcieli pogodzić się z niemożliwością stworzenia perpetuum mobile. Ta zasada fizyczna narzuca ograniczenie kierunku procesów, które mogą zachodzić w układach termodynamicznych. Druga zasada termodynamiki zabrania tzw. Perpetuum mobile drugiego rodzaju, pokazując, że sprawność nie może być równa jedności, ponieważ dla procesu kołowego temperatura lodówki nie może być równa zeru absolutnemu (niemożliwe jest zbudowanie obiegu zamkniętego przechodzącego przez punkt o zerowej temperaturze).
Istnieje kilka równoważnych sformułowań drugiej zasady termodynamiki:
Postulat Clausiusa: „Proces kołowy jest niemożliwy, którego jedynym rezultatem jest przeniesienie ciepła z ciała mniej ogrzanego do ciała bardziej ogrzanego” (proces ten nazywamy procesem Clausiusa).
Postulat Thomsona (Kelvina): „Proces kołowy jest niemożliwy, którego jedynym rezultatem byłaby produkcja pracy poprzez chłodzenie zbiornika ciepła” (proces ten nazywa się procesem Thomsona).
Inne sformułowanie drugiej zasady termodynamiki opiera się na pojęciu entropii:
„Entropia systemu izolowanego nie może się zmniejszyć” (prawo niemniejszącej entropii). W stanie z maksymalną entropią niemożliwe są makroskopowe procesy nieodwracalne (a proces wymiany ciepła jest zawsze nieodwracalny ze względu na postulat Clausiusa).
Kiedy stworzono termodynamikę statystyczną, opartą na koncepcjach molekularnych, okazało się, że druga zasada termodynamiki ma charakter statystyczny: obowiązuje dla najbardziej prawdopodobnego zachowania układu. Istnienie fluktuacji uniemożliwia jej dokładną realizację, ale prawdopodobieństwo jakiegokolwiek istotnego naruszenia jest niezwykle małe. Oznacza to, że przejście ciepła z ciała zimnego do cieplejszego jest możliwe, ale jest to niezwykle mało prawdopodobne wydarzenie. A w naturze mają miejsce najbardziej prawdopodobne zdarzenia.
Przeczytaj także „Perpetum mobile pierwszego rodzaju” i „Perpetum mobile trzeciego rodzaju”