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:

1


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
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 từ
học, 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


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
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.

3


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
Một hệ quả của định luật này là khi không có công thực hiện trên hệ, hay hệ không sinh công, đồng thời
khi 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:
Fvào = Fra
Fvào = Fphản xạ + Fbức xạ + Ftruyền qua
Trong đó:
Fbức xạ = Fhấp thụ

4


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
Năng lượng không tự nhiên sinh ra mà cũng không tự mất đi nhưng nó chỉ chuyển từ dạng năng
lượng này sang dạng năng lượng khác mà thôi.
II.Động cơ vĩnh cửu:
1.Khái niệm:
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

5


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
trình 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.

6


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
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 Bocklerngười 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 ".

7


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

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

8

ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
3.Nguyên lý hoạt động của một số dụng cụ được gọi là “Động cơ vĩnh cửu”:

9


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

Bánh xe con lắc

10


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

Bánh xe thủy ngân

11


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

Dốc nghiêng Stevin

Các dụng cụ được khẳng định là vẫn chuyển động liên tục mà không cần cấp thêm năng lượng và không
thực 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

12

ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
chuyển động vĩnh cửu nghĩa là gì. Những dụng cụ này không có mục đích nào khác ngoài việc làm
sửng sốt 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 liên
tục 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

13


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
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 trì
chuyển 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 lớn
hơn 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 điều
khiển 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

14


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
sáng được giả định rút ra. Ngày nay, chúng ta thật sự không còn xét đến ête, nên những những người
này khẳng định là rút trích “năng lượng của chân không”. Dẫu sao, họ khẳng định, nó “ở ngoài kia” và
tự do khai thác. Nếu như thật sự có một nguồn năng lượng như thế, thì những cỗ máy này sẽ không vi
phạm bất kì định luật vật lí nào. Thật không may, nguồn năng lượng đó thường là một nguồn được đề
xuất vì những mục đích nào đó của người phát minh, nó hoàn toàn là sản phẩm trí tuệ của nhà phát
minh đó, và nó không được sự ủng hộ của bất kì bằng chứng độc lập nào khác. Cho nên, đối với người
quan sát khách quan, những cỗ máy như vậy về mặt thực nghiệm và về mặt lí thuyết là không thể phân
biệt với động cơ loại (3).Vì các nhà phát minh (người tìm kiếm) của các dụng cụ năng lượng tự do
khẳng định những cỗ máy như vậy thật sự có năng lượng vào, nên họ bác bỏ tên gọi “động cơ vĩnh
cửu”. Họ còn bác bỏ bất kì đề xuất nào rằng họ có thể cho cỗ máy hoạt động bằng cách lái một phần
năng lượng ra thành năng lượng vào, lí do vì cỗ máy đó chỉ có khả năng lấy năng lượng từ một nguồn

15


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
“năng lượng tự do”, hay rằng “năng lượng tự do” là một đặc điểm tinh vi khác của năng lượng bình
thường.

16


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

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 điều
không 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.

17


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
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.

18


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

Một 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

19


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

20


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

21


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
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 và
nâng các tải trọng.
b.Dốc nghiêng-quả cầu của Stevin:

22


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG
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.

23


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

24


ĐỘNG CƠ VĨNH CỮU VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

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

25