Perpetuum Mobile

TERUGHome.html
Perpetuum Mobile

Perpetuum Mobile

Het perpetuum mobile, een machine die ´vanzelf´ beweegt, heeft veel uitvinders geïntrigeerd. Reeds omstreeks 1235 ontwierp Villard de Nonnecourt een rad met een oneven aantal beweegbaar opgehangen hamers, dat eindeloos moest blijven draaien (fig. 1). Het in figuur 2 getekende perpetuum mobile dateert uit de 16de eeuw: een waterrad drijft een slijpsteen en een schroef van Archimedes (vijzel) aan; de schroef voert het voor de werking vereiste water naar de bovenste reservoir terug. In de tekening ziet de machine er vrij logisch uit, maar in de praktijk zou ze evenmin als alle andere constructies van dit type eeuwig blijven draaien. Volgens de (ervarings)wetten van de mechanica die op deze situatie van toepassing zijn, is het alleen mogelijk een arbeidsvermogen te onttrekken (voor het slijpen) als de daartoe vereiste energie van elders wordt toegevoegd, in dit geval als rotatie-energie van het waterrad en de overige draaiende delen. Het rad is hiervoor echter aangewezen op de energie die het onttrekt aan de waterstroom uit het bovenste reservoir. Precies dezelfde hoeveelheid energie moet echter weer worden toegevoegd om de tevoren naar beneden gestroomde hoeveelheid water naar dit reservoir terug te voeren. Hier komt nog bij dat de wrijving in de lagers en de overbrengingen (rood aangegeven in de tekening) eveneens energie kost, die ´toch ergens vandaan moet komen´, want het is een hoofdwet van de mechanica dat energie niet langs mechanische weg uit het niets kan worden opgewekt. Een mechanisch perpetuum mobile is dan ook onmogelijk.

links: Fig. 1 Perpetuum mobile van Villard de Honnecourt (1235) rechts: Fig. 2 Perpetuum mobile uit de 16de eeuw

Wel kan men uit warmte bewegingsenergie opwekken, zoals bewegingsenergie ook door wrijving in warmte kan overgaan. We zouden dus (puur theoretisch!) een machine kunnen ontwerpen die als stoommachine bijvoorbeeld zijn ketel zou verhitten door middel van gecomprimeerde (en door de compressie warm geworden) lucht (fig. 3). De energiewetten van de mechanica zijn niet van toepassing op deze situatie. Men weet sinds het midden van de 19de eeuw dat warmte een vorm van energie is, en dat een hoeveelheid warmte omgezet kan worden in een bepaalde hoeveelheid mechanische energie. Door hierin tevens de elektrische en chemische omzettingen in rekening te brengen, kunnen we de energiewet als volgt formuleren: in een systeem dat volkomen is afgesloten van de omgeving, is het op geen enkele wijze mogelijk om de totale hoeveelheid van de aanwezige energie te veranderen. De gelijkwaardigheid van warmte en mechanische energie geldt niet zonder beperking: niet elke hoeveelheid warmte kan gebruikt worden voor het verrichten van mechanische arbeid. De jongen die in figuur 4 langs de leuning naar beneden glijdt, heeft beneden aangekomen een warme broek - de energie is (grotendeels) in warmte omgezet. Er is echter nog niemand ingeslaagd om zich door het afkoelen van zijn broek langs de leuning omhoog te bewegen; wat op zich toch niet in tegenspraak zou zijn met de energiewet! Deze moet dan ook door de volgende ervaringswet worden aangevuld: er bestaat geen enkele methode om de afkoelingswarmte van een warmtereservoir zonder meer om te zetten in de overeenkomstige hoeveelheid (mechanische) arbeid. Deze wet maakt de constructie onmogelijk van een ´perpetuum mobile van de twee soort´, waarmee je bijvoorbeeld de warmte-energie die in zeewater zit, door afkoeling zou kunnen omzetten in mechanische arbeid. Aan de hand van deze wet kan je de verschillende energie-omzettingen verdelen in omkeerbare, d.w.z. processen die voor het verloop in de ene richting evenveel energie vereisen als voor de omgekeerde omzetting, en onomkeerbare, waarbij de omzetting in de andere richting alleen door een extra energietoevoer kan worden gerealiseerd. Omkeerbaar zijn bijvoorbeeld alle mechanische verschijnselen (als je de wrijving verwaarloost) : de betekenis van de term omkeerbaar wordt duidelijk gedemonstreerd door de beweging van een slinger (fig. 5). Wrijvingseffecten daarentegen zijn onomkeerbare processen (denk maar aan het hierboven gegeven voorbeeld). Ook kan hetzelfde proces zowel omkeerbaar als onomkeerbaar zijn, naar gelang van de omstandigheden waaronder het zich afspeelt. De benodigde hoeveelheid energie is dan altijd voor de omkeerbare soort het kleinst.

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5 Na iedere halve periode in de slinger in de uiterste stand in rust