Iparjogvédelmi és Szerzői Jogi Szemle, 2003 (108. évfolyam, 1-6. szám)
2003 / 6. szám - Technikatörténet. Reményi Péter: Perpetuum mobile – a technika fejlődésének egyik tévútja
Perpetuum mobile - a technika fejlődésének egyik tévútja 67 A XIX. század közepétől tehát már nem sok reménnyel kecsegtetett örökmozgó-építéssel foglalkozni. Ha a semmiből nem is lehet energiát előállítani, azért a termodinamika első főtétele alapján a környezet egyenletes hő tartalmából még igen. Sőt, a főtétel még ösztönöz is erre. Ez is éppolyan ingyenes energiaforrás, mint az örökmozgók esetében lett volna. Ezek működése tehát nem ellentétes a termodinamika első főtételével, mert ezekben nem termelődik energia. Ezek azért működésképtelenek, mert a működésük ellentmondana a termodinamika második főtételének, melynek alapjait egy francia fizikus, Sadi Carnot (1796-1832) rakta le. O eredetileg úgy akarta volna továbbfejleszteni a gőzgépet, hogy megszüntet minden energiaveszteséget. Noha az első főtétel szerint lehetett volna olyan gépet építeni, amely egy adott mennyiségű hőt teljes egészében mechanikai munkává alakít, hőerőgépek működése során tett megfigyelései azt igazolták, hogy ez teljes egészében nem lehetséges. Egy adott mennyiségű mechanikai energiát át lehet teljes egészében hővé alakítani, de fordítva ez már nem igaz. A kezdeti hőenergiából valamennyi mindig elvész az átalakítás során. Ezt a tételt már Clausius mondta ki 1854-ben, aki egyúttal bebizonyította azt is, hogy ez a tétel egyenértékű azzal az axiómával, hogy a hő magától nem áramlik hidegebb testről a melegebbre. Kétféle örökmozgót lehet tehát megkülönböztetni. Az egyik fajta a semmiből állítana elő energiát, ezzel ellentmond a termodinamika első főtételének, ezek az elsőfajú örökmozgók. A második fajta az energiamegmaradás tételének ugyan nem mondana ellent, de a hőt (akár a környezetben lévőt is) 100%-os hatásfokkal alakítaná át az energia más formájává, tehát nem volna szükség egy alacsonyabb hőmérsékletű hőelnyelő közegre. Ezek a másodfajú örökmozgók. Egy ilyen berendezést próbált meg konstruálni John Gamgee londoni professzor, aki az Amerikai Egyesült Államokban, Washingtonban dolgozott az 1880-as években. Egy olyan hőerőgépet fejlesztett ki, ami több volt egy közönséges gőzgépnél, és - mivel normális működési hőmérséklete 0°C volt - zérómotomak nevezték. Ez a motor ammóniát használt víz helyett munkavégző közegként. A folyékony ammónia elgőzölgött egy alacsony hőmérsékleten, és 0°C-on 4 bar volt a nyomása. Gamgee úgy gondolta, hogy a környezeti hő el tudja párologtatni az ammóniát, így nincs szükség tüzelőanyagra. Úgy tervezte, hogy a gőzállapotú ammóniát-miután munkát végzett egy hengerben, kitágult és kondenzálódott - elvezeti egy tartályba és onnan visszavezeti a ciklus elejére. Gamgee és támogatói hibás számításokat végeztek vagy nem vettek figyelembe bizonyos hőmennyiségeket a számításaik során. A hőátadás a természetből valóban elégséges az ammónia elpárologtatósához, de ez az előny semmivé válik a rendszerben mint egészben a gőz munkavégzés közbeni lehűlésekor. Az induláskori 0°C-os és 4 bar nyomású gáz hőmérséklete leesik -33°C-ra az alatt az idő alatt, amíg a térfogata megnégyszereződik. Ha a gáz folyadékká kondenzálódik, akkor mind a kondenzátornak, mind a tartálynak ennél alacsonyabb hőmérsékletűnek kell lennie. Gamgee nem vette figyelembe ennek a hűtésnek az energiaszükségletét, ugyanis a hűtéshez több energiát kellene felhasználni, mint amennyit a zérómotor termelni képes. Gamgee a motorjával nem kérdőjelezte meg komolyan Carnot tételét, de James Clerk Maxwell (1831-1879) 1871- es felvetése komoly kihívás volt. Ennek a lényege az volt, hogy egy egyenletes hőmérsékletű gázt tartalmazó, izolált teret osszanak egy fallal két részre, és a falon legyen egy olyan kis ajtó, amelyen egy gázmolekulát át lehet engedni egyik oldalról a másikra. Az ajtót egy olyan kis lény (démon) kezelje, amely elég kicsi ahhoz, hogy a molekulákat megtudja különböztetni. A démon úgy kezeli az ajtót, hogy az egyik oldalról az átlagosnál nagyobb sebességű molekulákat átengedi a másikra, a másik oldalról pedig az átlagosnál kisebb sebességű molekulákat engedi át az elsőbe. így egy idő után az egyik oldalon gyorsabb molekulák lesznek, mint a másikon, ami azt jelenti, hogy az egyik oldalon magasabb lesz a hőmérséklet, mint a másikon. Ezt a hőmérsékletkülönbséget hőerőgép működtetésére lehetne használni. Maxwell démona majdnem száz évig riogatta a fizikusokat, mígnem Louis M. Brillouin, francia fizikus kimutatta, hogy a démonnak információra van szüksége az egyes molekulákról, ha időben ki akarja nyitni az ajtót. Amikor a démon az egyik egyforma hőmérsékletű rész felé néz, az egyforma sugárzás miatt nem lát semmit, hacsak nem világítja meg egy sugárforrással. Brillouin kimutatta, hogy az az energia, amelyet a sugárforráshoz fel kell használni, nagyobb, mint emennyit a hőerőgépből nyerni lehet. így Maxwell démona mégsem tudta kijátszani a második főtételt, és továbbra sem sikerült másodfajú örökmozgót alkotni. 3. Örökmozgónak látszó berendezések Ebbe a csoportba olyan berendezések tartoznak, amelyek igen hosszú ideig képesek működni, és a működésükhöz felhasznált energia forrását a felületes szemlélő nem veszi észre. Ebbe a csoportba tartozik az a bólogató üvegkacsa, amit gyerekkorában szinte mindenki megcsodált már (9. ábra). A kacsa fejét és hasát egy cső köti össze, amely belenyúlik a hasába, majdnem annak az aljáig. A hasa egy könnyen párolgó, színesre festett folyadékkal (éterrel) van megtöltve. Ebből a testből a két oldalán, a súlypontja közelében kiáll két forgástengely, amelyek a lábakra támaszkodnak, hogy a kacsa bólogatni tudjon. A kacsa előtt egy pohár víz van, amelybe éppen beleér a feje, ha nagyon előrehajol. Ha a kacsát „megitatjuk”, az összes folyadék a hasába kerül, és elkezd egy kicsit előre-hátra billegni. De aztán a folyadék egyre inkább a fejébe emelkedik, és ennek megfelelően a kacsa egyre nagyobbakat bólogat, míg végül olyan sok folyadék lesz a fejében, hogy előrehúzza, és a csőre beleér a vízbe, mintha ismét inna. Amikor előredől, a nyakat alkotó cső vége a hasban lévő folyadék felszíne fölé kerül, így a folyadék visszacsurog a hasba, és a kacsa elölről kezdi a bólogatást. A kacsa csak bólogat-bólogat, amíg a vizet „meg nem issza”. De tudjuk, hogy nem issza meg, úgyhogy a viz nem lehet a hajtóanyaga. Az magától párolog el. Akkor is elpárologna, ha messze lenne a kacsától. Pedig a kacsát mégis a víz hajtja, mégpedig a párolgásával. Tehát a hajtóenergia végső soron a Napból származik.
