Lý do các động cơ vĩnh cửu không tồn tại - Netta Schramm

Xem bài giảng đầy đủ tại: http://ed.ted.com/lessons/why-don-t-perpetual-motion-machines-ever-work-netta-schramm

Động cơ vĩnh cửu là một dạng thiết bị tưởng tượng có khả năng sinh công vô hạn mà không cần trao đổi năng lượng với hệ ngoài. Trong quá khứ, chúng đã thu hút sự chú ý của giới khoa học bởi chính khả năng kỳ diệu của mình. Nhưng chỉ có một vấn đề: Chúng không tồn tại. Vì sao vậy? Netta Schramm sẽ lý giải sự bất hợp lý đó.

Bài giảng bởi Netta Schramm, minh hoạ bởi TED-Ed.

Vào những năm 1159 sau Công nguyên,

nhà toán học tên là Bhaskara

đã xây dựng một thiết kế bánh xe
chứa các khoang đựng thuỷ ngân lỏng.

Ông cho rằng khi bánh xe quay,

thuỷ ngân sẽ luôn chảy về đáy
của các khoang chứa nước,

khiến cho một phía bánh xe
luôn luôn nặng hơn phía còn lại.

Sự mất cân bằng đó sẽ khiến
bánh xe quay vĩnh viễn.

Bản vẽ của Bhaskara
là một trong các thiết kế lâu đời nhất

của động cơ vĩnh cửu,

một loại thiết bị sinh công vô hạn
mà không cần nhận năng lượng từ hệ ngoài.

Hãy tưởng tượng một cối xay gió
tạo ra sức gió khiến nó tự quay.

Hoặc một bóng đèn tạo ra điện giúp nó sáng
nhờ chính ánh sáng nó phát ra.

Những thiết bị kiểu này thu hút sự chú ý
của rất nhiều nhà sáng chế

bởi chúng có thể thay đổi hoàn toàn
mối liên hệ giữa chúng ta và năng lượng.

Chẳng hạn nếu bạn có thể tạo ra
một dạng động cơ vĩnh cửu,

một hệ thống vận hành hoàn hảo
trong đó con người là mắt xích quan trọng,

điều đó sẽ giúp sự sống duy trì vĩnh viễn.

Nhưng chỉ có một vấn đề.

Chúng không hề tồn tại.

Các ý tưởng về động cơ vĩnh cửu

đều vi phạm một hay nhiều
Nguyên lý nhiệt động lực học,

một nhánh của Vật lý
chuyên nghiên cứu mối quan hệ

giữa các dạng năng lượng khác nhau.

Nguyên lý I Nhiệt động lực học phát biểu:
năng lượng không tự sinh ra hay mất đi.

Bạn không thể thu được nhiều năng lượng
hơn lượng bạn đã cung cấp cho hệ.

Điều đó đã ngay lập tức bác bỏ
nguyên lý hoạt động của động cơ vĩnh cửu

bởi công sinh bởi động cơ chỉ có giá trị
tối đa bằng chính năng lượng nó tiêu thụ.

Sẽ không có năng lượng dư
để ta nạp ắc quy xe hay sạc điện thoại.

Nhưng nếu ta chỉ muốn nó tự chạy mãi
mà không cần sinh thêm công thì sao?

Các nhà sáng chế đã đề xuất nhiều ý tưởng,

trong đó có những phiên bản cải tiến
của bánh xe Bhaskara,

được thay thế bằng bi sắt
hoặc các vật nặng gắn trên tay quay.

Chúng đều thất bại.

Các bộ phận di chuyển
khiến một phía bánh xe nặng hơn,

đồng thời chúng đã hạ thấp trọng tâm
của hệ về phía dưới tâm bánh xe.

Với toạ độ trọng tâm thấp,

bánh xe sẽ dao động qua lại
như một con lắc,

cuối cùng sẽ dừng hẳn.

Vậy với cách tiếp cận vấn đề khác thì sao?

Vào thế kỷ 17, Robert Boyle
đề xuất một ý tưởng

về một bình nước tự chảy.

Ông cho rằng nhờ hiện tượng mao dẫn,

một hiện tượng liên kết
giữa chất lỏng và các bề mặt rắn

giúp nước chảy thành dòng
trong các ống tiết diện nhỏ,

sẽ giúp nước chảy tuần hoàn
vĩnh viễn trong bình.

Nhưng nếu lực hút do mao dẫn
đủ mạnh để thắng trọng lực

và giúp nước chảy ngược lên,

thì chúng cũng đủ mạnh
để ngăn nước chảy lại xuống bình.

Cũng tồn tại nhiều phiên bản khác,
ví dụ với con dốc đặt nam châm này.

Quả bóng sẽ lăn ngược lên dốc
do lực từ của nam châm đặt trên đỉnh,

rơi xuống lỗ và lăn xuống dưới,

và tiếp tục lặp lại quá trình trên.

Mô hình này thất bại bởi lẽ tương tự
như chiếc bình nước tự chảy,

nam châm sẽ giữ luôn
quả bóng trên đỉnh dốc.

Thậm chí khi hệ có thể hoạt động
bằng cách nào đó,

lực từ do nam châm gây ra
cũng yếu dần theo thời gian

và mất hẳn khả năng hút.

Để một động cơ làm việc liên tục,

chúng cần tạo ra một chút năng lượng dư

để giúp duy trì hệ
luôn vượt qua trạng thái nghỉ,

vượt qua rào cản của Nguyên lý I
Nhiệt động lực học.

Khi xét đến một động cơ
đang chạy liên tục,

điều thực tế là chúng
vẫn buộc phải lấy năng lượng

từ nguồn bên ngoài.

Thậm chí khi các kỹ sư bằng cách nào đó
thiết kế được một chiếc máy

không vi phạm Nguyên lý I
Nhiệt động lực học,

chúng vẫn không tồn tại trong thực tế
do đã vi phạm Nguyên lý II.

Nguyên lý II Nhiệt động lực học

nói rằng năng lượng sẽ bị mất mát đi
do các yếu tố ngoại cảnh, ví dụ ma sát.

Mọi loại động cơ đều cần
các cơ cấu chuyển động

hay các tương tác với phần tử nước
hay không khí môi trường,

điều đó sẽ tạo ra ma sát
và một lượng nhiệt nhỏ,

thậm chí ở trong chân không.

Nhiệt năng đó ra khỏi hệ

và bị mất mát đi,

làm giảm lượng năng lượng
còn lại để giúp duy trì hệ,

chúng giảm mãi đến khi chiếc máy
dừng hoạt động hẳn.

Cho đến giờ, hai Nguyên lý
Nhiệt động học này

đã bác bỏ mọi ý tưởng về động cơ vĩnh cửu

và những ước mơ về cách khai thác
năng lượng hoàn hảo đằng sau đó.

Nhưng cũng rất khó để khẳng định
rằng ta không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu

bởi lẽ còn rất nhiều điều bí ẩn
trong vũ trụ mà ta chưa biết tới.

Có lẽ ta sẽ tìm ra
một trạng thái mới của vật chất

khiến chúng ta phải xây dựng lại
các Nguyên lý Nhiệt động lực học.

Hoặc có thể tồn tại các trạng thái
chuyển động vĩnh cửu ở quy mô lượng tử.

Chỉ có một điều ta chắc chắn,
đó là ta sẽ không ngừng tìm tòi.

Giờ đây, điều duy nhất có lẽ là vĩnh cửu,

chính là những nghiên cứu
không ngừng nghỉ của chúng ta.