Movimento Perpétuo

Movimento perpétuo é o movimento dos corpos que continua para sempre em um sistema imperturbado. Uma máquina de movimento perpétuo é uma máquina hipotética que pode realizar trabalho infinitamente sem uma fonte externa de energia. Este 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 os planetas, podem parecer perpétuos, mas na verdade estão sujeitos a muitos processos que dissipam lentamente a sua energia cinética, como o vento solar, a resistência do meio interestelar, a radiação gravitacional e a radiação térmica, pelo que não ocorrerão. continue se movendo para sempre.

Assim, as máquinas que extraem energia de fontes finitas não funcionarão indefinidamente, pois são movidas pela energia armazenada na fonte, que eventualmente se esgotará. Um exemplo comum são os dispositivos alimentados pelas correntes oceânicas, cuja energia é, em última análise, derivada do Sol, que acabará por se queimar.

Em 2016, foram descobertos novos estados da matéria, cristais de tempo, nos quais, em escala microscópica, os átomos componentes estão em movimento repetitivo contínuo, satisfazendo assim a definição literal de “movimento perpétuo”. No entanto, estas não constituem máquinas de movimento perpétuo no sentido tradicional, nem violam as leis termodinâmicas porque estão no seu estado quântico fundamental, pelo que nenhuma energia pode ser extraída delas; eles exibem movimento sem energia.

Histórico

A história das máquinas de movimento perpétuo remonta à Idade Média. Durante milénios, 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 tais máquinas, continuando até os tempos modernos. Os designers e proponentes modernos usam frequentemente outros termos, como “sobre a unidade”, para descrever as suas invenções.

Princípios básicos

Oh, buscadores depois do movimento perpétuo, quantos chimeras vãos perseguistes? Vai e toma o teu lugar com os alquimistas.

—Leonardo da Vinci, 1494

Existe um consenso científico de que o movimento perpétuo num 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 da energia. A segunda lei pode ser formulada de diversas maneiras, a mais intuitiva das quais é que o calor flui espontaneamente de locais mais quentes para locais mais frios; relevante aqui é que a lei observa que em todo processo macroscópico há atrito ou algo próximo a isso; outra afirmação é que nenhuma máquina térmica (uma máquina que produz trabalho enquanto move o calor de uma temperatura alta para uma temperatura baixa) pode ser mais eficiente do que uma máquina térmica 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 da energia). Como resultado, a eficiência térmica - a potência de trabalho produzida dividida pela potência de aquecimento de entrada - não pode ser maior do que uma.
2. A potência de trabalho de saída dos motores de calor é sempre menor do que a potência de aquecimento de entrada. O resto da energia térmica fornecida é desperdiçado como calor para o ambiente. A eficiência térmica, portanto, tem um máximo, dado pela eficiência do Carnot, que é sempre menos de um.
3. A eficiência dos motores de calor reais é ainda menor do que a eficiência do Carnot devido à irreversibilidade decorrente da velocidade dos processos, incluindo o atrito.

As declarações 2 e 3 aplicam-se a motores térmicos. Outros tipos de motores que convertem, por ex. mecânica em energia eletromagnética, não pode operar com 100% de eficiência, pois é impossível projetar qualquer sistema que seja livre de dissipação de energia.

As máquinas que cumprem ambas as leis da termodinâmica através do acesso à energia de fontes não convencionais são por vezes referidas como máquinas de movimento perpétuo, embora não cumpram os critérios padrão para o nome. A título de exemplo, relógios e outras máquinas de baixo consumo de energia, como o relógio de Cox, foram projetados para funcionar com as diferenças de pressão barométrica ou temperatura entre a noite e o dia. Estas máquinas têm uma fonte de energia, embora não seja facilmente aparente, de modo que parecem apenas violar as leis da termodinâmica.

Mesmo as máquinas que extraem energia de fontes de longa duração - como as correntes oceânicas - irão falhar quando as suas fontes de energia inevitavelmente o fizerem. Não são máquinas de movimento perpétuo porque consomem energia de uma fonte externa e não são sistemas isolados.

Classificação

Uma classificação de máquinas de movimento perpétuo refere-se à lei específica da termodinâmica que as máquinas pretendem violar:

• A máquina de movimento perpétua do primeiro tipo produz trabalho sem a entrada de energia. Assim viola a primeira lei da termodinâmica: a lei da conservação da energia.
• A máquina de movimento perpétua do segundo tipo é uma máquina que converte espontaneamente a energia térmica em trabalho mecânico. Quando a energia térmica é equivalente ao trabalho feito, isso não viola a lei da conservação da energia. No entanto, ele viola a segunda lei mais sutil da termodinâmica em um processo cíclico (veja também a entropia). A assinatura de uma máquina de movimento perpétua do segundo tipo é que há apenas um reservatório de calor envolvido, que está sendo espontaneamente refrigerado sem envolver uma transferência de calor para um reservatório mais fresco. Esta conversão de calor em trabalho útil, sem qualquer efeito colateral, é impossível, de acordo com a segunda lei da termodinâmica.
• A máquina de movimento perpétua do terceiro tipo é definido como um que elimina completamente o atrito e outras forças dissipativas, para manter o movimento para sempre devido à sua inércia em massa (Terceiro Neste caso refere-se unicamente à posição no esquema de classificação acima, não à terceira lei da termodinâmica). É impossível fazer tal máquina, como a dissipação nunca pode ser completamente eliminada em um sistema mecânico, não importa o quão perto um sistema chega a este ideal (veja exemplos na seção Baixa Fricção).

Impossibilidade

"Impossibilidade epistêmica" descreve coisas que absolutamente não podem ocorrer dentro da 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, 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 temporal 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 sobre se as leis da física são invariantes ao longo do tempo utilizam telescópios para examinar o universo no passado distante e descobrir, até aos limites das nossas medições, se as estrelas antigas eram idênticas às estrelas de hoje. A combinação de diferentes medições, como a espectroscopia, a medição direta da velocidade da luz no passado e medições semelhantes, demonstra que a física permaneceu substancialmente a mesma, se não idêntica, durante todo o tempo observável, abrangendo milhares de milhões de anos.

Os princípios da termodinâmica estão tão bem estabelecidos, tanto teórica como experimentalmente, que as 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 aos 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 das pesquisas dos físicos. próprios experimentos mentais e muitas vezes lançam luz sobre certos aspectos da física. Assim, por exemplo, a experiência mental de uma catraca browniana como máquina de movimento perpétuo foi discutida pela primeira vez por Gabriel Lippmann em 1900, mas foi só em 1912 que Marian Smoluchowski deu uma explicação adequada sobre a razão pela qual não pode funcionar. Contudo, durante esse período de doze anos, os cientistas não acreditaram que a máquina fosse possível. Eles simplesmente desconheciam o mecanismo exato pelo qual isso inevitavelmente falharia.

A lei que entropia sempre aumenta — a segunda lei da termodinâmica — detém, penso eu, a posição suprema entre as leis da Natureza. Se alguém aponta para você que sua teoria do animal de estimação do universo está em desacordo com as equações de Maxwell — então tanto pior para as equações de Maxwell. Se se achar contraditado pela observação — bem, esses experimentalistas fazem bungle coisas às vezes. Mas se a sua teoria for considerada contra a segunda lei da termodinâmica, não posso dar-lhe esperança; não há nada para ela, mas para desmoronar-se na humilhação mais profunda.

—Sir Arthur Stanley Eddington, A natureza do mundo físico (1927)

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

"Há algo lamentável, degradante, e quase insano em buscar os esquemas visionários de idades passadas com determinação obstinada, em caminhos de aprendizagem que foram investigados por mentes superiores, e com os quais essas pessoas aventureiras são totalmente inexploradas. A história do Movimento Perpétuo é uma história da insensatez de pessoas semi-learizadas ou totalmente ignorantes."

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

Técnicas

Um dia o homem conectará seu aparelho à roda do universo [...] e as próprias forças que motivam os planetas em suas órbitas e fazem com que eles giram girarão suas próprias máquinas.

—Nikola Tesla

Algumas ideias comuns são recorrentes em projetos de máquinas de movimento perpétuo. Muitas ideias que continuam a aparecer hoje foram declaradas já em 1670 por John Wilkins, bispo de Chester e funcionário da Royal Society. Ele descreveu três fontes potenciais de energia para uma máquina de movimento perpétuo, "Extrações Químicas[sic]", "Virtudes Magnéticas" e "a afeição natural da gravidade".

A capacidade aparentemente misteriosa dos ímãs de influenciar o movimento à distância sem qualquer fonte de energia aparente há muito tempo atraiu 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 rampa acima. Perto do ímã havia um pequeno orifício que deveria permitir que a bola caísse sob a rampa e retornasse ao fundo, onde uma aba permitia que ela retornasse ao topo novamente. No entanto, se o ímã for forte o suficiente para puxar a bola rampa acima, ele não poderá ser fraco o suficiente para permitir que a gravidade a puxe através do buraco. Diante desse problema, versões mais modernas normalmente usam uma série de rampas e ímãs, posicionados de forma que a bola seja transferida de um ímã para outro à medida que se move. O problema continua o mesmo.

A gravidade também atua à distância, sem uma fonte de energia aparente, mas para extrair energia de um campo gravitacional (por exemplo, ao deixar cair um objeto pesado, produzindo energia cinética à medida que cai), é preciso colocar energia (por por exemplo, levantando 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 XII, cuja ideia-chave é em si um tema recorrente, muitas vezes chamada de roda desequilibrada: pesos móveis são presos a uma roda de tal forma que eles caia para uma posição mais distante do centro da roda durante metade da rotação da roda e mais próxima do centro durante a 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.

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 do 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 realizar nenhum trabalho, pois o trabalho exige que o objeto levitado cause movimento em outros objetos, trazendo atrito para o problema. Além disso, um vácuo perfeito é um objetivo inatingível, uma vez que tanto o recipiente como o próprio objeto vaporizariam lentamente, degradando assim o vácuo.

Para extrair trabalho do calor, produzindo assim uma máquina de movimento perpétuo do segundo tipo, a abordagem mais comum (que remonta pelo menos ao demônio de Maxwell) é a unidirecionalidade. Somente moléculas que se movem com rapidez suficiente e na direção certa podem passar pelo 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 banho térmico 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 frequentes pequenas não-violações (a catraca browniana estará sujeita a forças brownianas internas e, portanto, por vezes virará para o lado errado).

A flutuabilidade é outro fenômeno frequentemente mal compreendido. Algumas máquinas de movimento perpétuo propostas ignoram 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 o topo. O mecanismo de compressão nesses projetos não seria capaz de realizar trabalho suficiente para mover o ar para baixo ou não deixaria trabalho excedente disponível para ser extraído.

Patentes

As propostas para essas máquinas inoperáveis tornaram-se tão comuns que o Escritório de Marcas e Patentes dos Estados Unidos (USPTO) adotou uma política oficial de recusa de concessão de patentes para máquinas de movimento perpétuo sem um modelo funcional. O Manual de Prática de Exame de Patentes do USPTO afirma:

Com exceção de casos envolvendo movimento perpétuo, um modelo não é normalmente exigido pelo Escritório para demonstrar a operabilidade de um dispositivo. Se a operabilidade de um dispositivo é questionada, o requerente deve estabelecê-lo à satisfação do examinador, mas ele ou ela pode escolher sua própria maneira de fazê-lo.

E, além disso, que:

Uma rejeição [de um pedido de patente] em razão da falta de utilidade inclui os fundamentos mais específicos da inoperabilidade, envolvendo movimento perpétua. Uma rejeição abaixo de 35 U.S.C. 101 por falta de utilidade não deve ser baseada em razão de que a invenção é frívola, fraudulenta ou contra a política pública.

O depósito de um pedido de patente é uma tarefa administrativa e o USPTO não recusará pedidos 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 funcione, significa apenas que o examinador acredita que ela funciona, ou não foi capaz de descobrir por que não funcionaria.

O USPTO mantém uma coleção de truques de movimento perpétuo.

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

Processos ou artigos alegados a operar de forma claramente contrária às leis físicas bem estabelecidas, tais como máquinas de movimento perpétua, são considerados como não ter aplicação industrial.

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

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

A Classificação Europeia de Patentes (ECLA) tem classes que incluem pedidos de patentes sobre sistemas de movimento perpétuo: classes ECLA "F03B17/04: Alegada perpetua mobilia..." e "F03B17/00B: [... máquinas ou motores] (com circulação em circuito fechado ou similar:... Instalações em que o líquido circula em circuito fechado; Alegada perpetua mobilia deste tipo ou semelhante...& #34;.

Máquinas de movimento perpétuo aparente

Como uma máquina de movimento perpétuo só pode ser definida em um sistema finito isolado com parâmetros discretos, e como não existem verdadeiros sistemas isolados (entre outras coisas, devido à incerteza quântica e à teoria de Tarski/Gödel teoremas), "movimento perpétuo" no contexto deste artigo é melhor definido como uma "máquina de movimento perpétuo" porque uma máquina é um "um dispositivo que dirige e controla a energia, muitas vezes na forma de movimento ou eletricidade, para produzir um determinado efeito" enquanto "movimento" é simplesmente movimento (pense no Movimento Browniano). Distinções à parte, na escala macro, existem conceitos e projetos técnicos que propõem o "movimento perpétuo", mas numa análise mais detalhada revela-se que eles na verdade "consomem" algum tipo de recurso natural ou energia latente, como as mudanças de fase da água ou de outros fluidos ou pequenos gradientes naturais de temperatura, ou simplesmente não pode sustentar operação indefinida. Em geral, é impossível extrair trabalho desses dispositivos.

Consumo de recursos

Alguns exemplos desses dispositivos incluem:

• O brinquedo de pássaro bebendo funciona usando pequenos gradientes de temperatura ambiente e evaporação. Corre até que toda a água seja evaporada.
• Uma bomba de água com base em ação capilar funciona usando pequenos gradientes de temperatura ambiente e diferenças de pressão de vapor. Com o "Capillary Bowl", pensou-se que a ação capilar manteria a água fluindo no tubo, mas como a força de coesão que desenha o líquido até o tubo em primeiro lugar prende a gota de liberar para a tigela, o fluxo não é perpétua.
• Um radiômetro Crookes consiste em um recipiente de vidro a vácuo parcial com uma hélice leve movida por gradientes de temperatura (induzidos à luz).
• Qualquer dispositivo pegando quantidades mínimas de energia da radiação eletromagnética natural em torno dele, como um motor alimentado por energia solar.
• Qualquer dispositivo alimentado por mudanças na pressão do ar, como alguns relógios (o relógio do Cox, Beverly Clock). O movimento reduz a energia do ar em movimento que, por sua vez, ganhou sua energia de ser acionada.
• Uma bomba de calor devido a ele ter um COP acima 1.
• O relógio Atmos usa mudanças na pressão de vapor do cloreto de etil com temperatura para enrolar a mola do relógio.
• Um dispositivo alimentado por decadência radioativa de um isótopo com uma meia-vida relativamente longa; tal dispositivo poderia operar plausivelmente por centenas ou milhares de anos.
• O sino elétrico de Oxford e a pilha de Karpen[ro] impulsionado por pilhas secas.

Baixo atrito

• No armazenamento de energia do volante, "o moderno volante pode ter um tempo de execução de zero carga mensurável em anos".
• Uma vez levantado, objetos no vácuo do espaço - estrelas, buracos negros, planetas, luas, satélites gira-estabilizados, etc. - Dissipate energia muito lentamente, permitindo-lhes girar por longos períodos. As camadas na Terra estão dissipando a energia gravitacional do sistema Moon/Earth a uma taxa média de cerca de 3,75 terawatts.
• Em certos sistemas quântico-mecânicos (como a superfluidez e supercondutividade), o movimento de atrito muito baixo é possível. No entanto, o movimento pára quando o sistema atinge um estado de equilíbrio (por exemplo, todo o hélio líquido chega ao mesmo nível.) Da mesma forma, aparentemente efeitos intropia-reversores como superfluidos escalando as paredes de recipientes operam por ação capilar comum.

Experimentos mentais

Em alguns casos, um experimento mental (ou gedanken) parece sugerir que o movimento perpétuo pode ser possível através de processos físicos aceitos e compreendidos. Contudo, em todos os casos, foi encontrada uma falha quando toda a física relevante é considerada. Exemplos incluem:

• O demónio de Maxwell. Isso foi originalmente proposto para mostrar que a Segunda Lei da Termodinâmica aplicada apenas no sentido estatístico, postulando um "demônio" que poderia selecionar moléculas energéticas e extrair sua energia. Análises subsequentes (e experimentos) mostraram que não há nenhuma maneira de implementar fisicamente esse sistema que não resulta em um aumento global da entropia.
• Raquete browniano: Neste experimento de pensamento, imagina-se uma roda de pá conectada a um catraca. O movimento browniano faria com que as moléculas de gás circundante atacassem as pás, mas a ratchet só permitiria que ele girasse em uma direção. Uma análise mais completa mostrou que, quando uma catraca física foi considerada nesta escala molecular, o movimento browniano também afetaria a cascata e o faria falhar aleatoriamente, resultando em nenhum ganho líquido. Assim, o dispositivo não violaria as leis da termodinâmica.
• Energia a vácuo e energia zero-ponto: A fim de explicar efeitos como partículas virtuais e o efeito Casimir, muitas formulações da física quântica incluem uma energia de fundo que permeia o espaço vazio, conhecido como vácuo ou energia de ponto zero. A capacidade de aproveitar a energia de ponto zero para o trabalho útil é considerada pseudociência pela comunidade científica em geral. Os inventores têm proposto vários métodos para extrair trabalho útil de energia zero-ponto, mas nenhum foi encontrado para ser viável, nenhuma reivindicação para extração de energia zero-ponto já foi validada pela comunidade científica, e não há evidências de que a energia zero-ponto pode ser usada em violação da conservação de energia.
• paradoxo elipsoide: Este paradoxo considera uma cavidade perfeitamente refletindo com dois corpos negros em pontos A e B. A superfície de reflexão é composta por duas seções elípticas E₁ e E₂ e uma seção esférica S, e os corpos em A e B estão localizados no foci comum dos dois elipses e B está no centro de S. Esta configuração é tal que aparentemente corpo negro em B aquecer em relação a A: a radiação originária do corpo negro A vai pousar e ser absorvido pelo corpo negro em B. Da mesma forma, os raios originários do ponto B que terra em E₁ e E₂ será refletido A. No entanto, uma proporção significativa de raios que começam a partir de B vontade de aterrar S será refletido de volta para B. Este paradoxo é resolvido quando os tamanhos finitos dos corpos negros são considerados em vez de corpos negros pontuais.

Teorias da conspiração

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