Inimkonna üks suurimaid ja ahvatlevamaid unistusi on läbi aegade olnud masin, mis töötaks igavesti, tootaks rohkem energiat kui ta tarbib ning vabastaks meid sõltuvusest kütustest ja elektriarvetest. See idee – igiliikur ehk perpetuum mobile – on köitnud nii leiutajaid, filosoofe kui ka šarlatane sajandeid. Kuid vaatamata tuhandetele katsetele ja keerukatele joonistele, põrkub see unistus alati vastu üht vääramatut takistust: füüsikaseadusi. Et mõista, miks tasuta energia tootmine tühjusest on võimatu, peame süvenema looduse fundamentaalsetesse reeglitesse, mis juhivad kogu universumi toimimist.
Mis on energia jäävuse seadus?
Füüsika üks alustalasid on termodünaamika esimene seadus, mida tuntakse laiemalt energia jäävuse seadusena. Lihtsas keeles öeldes väidab see seadus, et energiat ei saa tekkida ega kaduda, see saab vaid muunduda ühest liigist teise. Universumis on kindel hulk energiat ja see hulk on konstantne.
Kui te panete auto käima, ei teki liikumisenergia eimillestki. See tuleb kütusesse salvestatud keemilisest energiast, mis põlemisel vabaneb soojuseks ja paisumiseks, liigutades kolbe. Kui te viskate palli õhku, muundub teie lihaste keemiline energia palli kineetiliseks energiaks. Kui pall jõuab oma lennu haripunkti, on kineetiline energia muundunud potentsiaalseks energiaks. Alla kukkudes muutub see taas kineetiliseks energiaks ja maapinnale potsatades muutub see soojuseks ja heliks.
Teaduslikus vaates tähendab see, et süsteemi sisenenud energia peab võrduma süsteemist väljunud energia ja süsteemi salvestatud energia summaga. Valemina võiks seda väljendada nii:
Energia sisse = Energia välja + Energia muutus süsteemis
See seadus välistab koheselt võimaluse luua masin, mis toodaks energiat “eimillestki”. Et masin saaks teha tööd (näiteks toota elektrit või pumbata vett), peab ta kuskilt energiat saama. Kui masin ei saa energiat väljastpoolt, peab ta kasutama oma sisemisi ressursse, kuni need ammenduvad ja masin seiskub.
Termodünaamika teine seadus: miks süsteemid alati peatuvad?
Kui esimene seadus ütleb, et energiat ei saa juurde tekitada, siis tekib küsimus: miks ei võiks me ehitada masinat, mis on 100% efektiivne ja käib lihtsalt ringiratast igavesti, ilma lisaenergiat tootmata? Siin astub mängu termodünaamika teine seadus ja mõiste nimega entroopia.
Termodünaamika teine seadus sätestab, et igasuguse energiamuunduse käigus läheb osa energiast alati “kaduma” kasutu soojusena. See ei kao olematuks (nagu esimene seadus ütleb), kuid see hajub keskkonda ja seda ei saa enam kasuliku töö tegemiseks kasutada. Seda protsessi nimetatakse sageli energia kvaliteedi languseks.
Peamised energia “vargad” masinates
- Hõõrdumine: Ükski liikuv osa ei saa liikuda ilma takistuseta. Isegi kõige paremini õlitatud laagrid tekitavad hõõrdumist, mis muundab liikumisenergia soojuseks.
- Õhutakistus: Pöörlevad detailid peavad lükkama eest ära õhumolekule, loovutades neile energiat.
- Elektriline takistus: Juhtmetes liikuv vool tekitab soojust, mis on põhjus, miks elektriseadmed soojenevad.
- Heli ja vibratsioon: Kui masin teeb häält või vibreerib, on see märk energiast, mis “põgeneb” süsteemist ega aita kaasa masina tööshoidmisele.
Seega, kui paneme käima ideaalse pendli või pöörleva ratta vaakumis, peatub see lõpuks ikkagi, sest sisemised molekulaarsed jõud ja ebatäiuslikkused hajutavad energiat. Et hoida masinat töös, peame pidevalt energiat juurde lisama, et kompenseerida neid kadusid.
Igiliikurite tüübid ja nende läbikukkumise põhjused
Ajalooliselt on leiutajad püüdnud luua kahte peamist tüüpi igiliikureid. Teaduslik analüüs näitab kiiresti, miks kumbki neist ei ole võimalik.
1. Esimest liiki igiliikur
See on hüpoteetiline masin, mis suudab teha tööd ilma energiat tarbimata või toota rohkem energiat, kui ta ise tarbib. See on otseses vastuolus energia jäävuse seadusega. Sageli kujutatakse neid keerukate hoobade süsteemidena või tasakaalustamata ratastena, kus loodetakse, et gravitatsioon annab ühel poolel rohkem jõudu kui teisel.
Tegelikkuses on gravitatsioon konservatiivne jõud. See tähendab, et energia, mis saadakse raskuse langemisest, on täpselt võrdne energiaga, mis kulub sama raskuse algkõrgusele tagasi tõstmiseks. Tasuta lõunaid ei ole – raskuse tõstmine nõuab alati vähemalt sama palju tööd, kui selle langemine andis.
2. Teist liiki igiliikur
See masin ei riku energia jäävuse seadust, kuid rikub termodünaamika teist seadust. Selline masin muundaks soojusenergia täielikult mehaaniliseks tööks ilma mingisuguse jahutajata või temperatuuride vaheta. Näiteks laev, mis võtaks mereveest soojust, muudaks selle liikumiseks ja väljastaks jääkuubikuid.
See on võimatu, sest soojus liigub iseeneslikult vaid kuumemalt kehalt külmemale. Et soojust tööks muuta, on vaja temperatuuride erinevust (nagu sisepõlemismootoris või tuumaelektrijaamas). Ühtlase temperatuuriga keskkonnast ei saa energiat “välja pumbata” ilma täiendavat tööd tegemata.
Miks magnetmootorid ei tööta?
Tänapäeva internetiavarustes levivad kõige sagedamini videod magnetmootoritest, mis väidetavalt pöörlevad igavesti tänu magnetite tõuke- ja tõmbejõule. Skeem näeb tavaliselt välja selline: rootorile on kinnitatud magnetid ja staatorile teised magnetid, mis on paigutatud nii, et need peaksid rootorit pidevalt edasi lükkama.
Siin on põhjus, miks see on illusioon:
- Tasakaalupunkt: Magnetid tekitavad väljades potentsiaaliauke. Rootor leiab alati punkti, kus tõmbe- ja tõukejõud on tasakaalus, ning jääb seal seisma. Et sellest punktist üle saada, on vaja lisajõudu.
- Energia on konservatiivne: Nagu gravitatsiooni puhul, ei anna magnetid energiat, vaid salvestavad seda. Magneti üksteisele lähendamine või eemaldamine nõuab sama palju energiat, kui sealt vabaneb.
- Magnetite demagnetiseerumine: Isegi kui teoreetiliselt suudetaks luua süsteem, mis pöörleb kaua väga väikese hõõrdumise tõttu, kaotavad magnetid aja jooksul oma omadused. Nende väli nõrgeneb, mis tähendab, et tegemist on sisuliselt “patareiga”, mis tühjeneb, mitte igavese energiaallikaga.
Korduma kippuvad küsimused (FAQ)
Siin on vastused levinumatele küsimustele, mis inimestel seoses energia jäävuse ja igiliikuritega tekivad.
Kas Maa pöörlemine ümber Päikese ei ole igiliikur?
Tehniliselt võttes mitte. Kuigi planeedid tiirlevad ja pöörlevad miljardeid aastaid, ei ole see liikumine täiesti kadudeta. Kosmoses on hõõrdumine küll tühine, kuid see on olemas (tolm, gaasid). Samuti mõjutavad Maad loodejõud (Kuu ja Päikese gravitatsioon), mis tekitavad ookeanides hõõrdumist ja aeglustavad Maa pöörlemist. Maa pöörlemine aeglustubki mõne millisekundi võrra sajandis. See on tohutu inertsimoment, mis kestab kaua, kuid see ei ole igavene ega tooda energiat eimillestki.
Miks teadlased on nii kindlad, et keegi ei leia “auku” seadustes?
Teadus ei põhine usul, vaid vaatlusel ja tõestusel. Viimase paarisaja aasta jooksul on tehtud miljardeid eksperimente kõigis füüsikaharudes. Mitte ükski neist ei ole kunagi rikkunud energia jäävuse seadust. Kui keegi leiaks erandi, ei oleks see lihtsalt väike parandus, vaid see lammutaks kogu meie arusaama keemiast, bioloogiast ja universumi ehitusest. Tõenäosus selleks on kaduvväike.
Kas hüdroelektrijaam ei ole sisuliselt tasuta energia?
Hüdroelektrijaam kasutab taastuvat energiat, kuid see ei ole igiliikur. Vesi voolab allamäge gravitatsiooni tõttu. Et protsess jätkuks, peab Päike vett ookeanist aurustama, pilved peavad selle mägedesse kandma ja seal vihmana maha sadama. Seega töötab hüdroelektrijaam tegelikult tuumaenergia (Päikese fusioonireaktsiooni) jõul.
Aga kvantfüüsika ja vaakumi energia?
Kvantfüüsikas räägitakse tõepoolest nullpunkti energiast ja vaakumi fluktuatsioonidest. Siiski näitavad praegused teadmised, et kuigi vaakumis on energiat, on see oma olemuselt madalaima võimaliku energiatasemega olek. Termodünaamika seaduste kohaselt ei saa me sellest energiat “ammutada”, sest puudub madalama energiaga koht, kuhu see voolata saaks. Spekulatsioonid sel teemal on huvitavad, kuid praktilist tehnoloogiat hetkel ei eksisteeri.
Energeetika tulevik: efektiivsus ja uued allikad
Kuigi igiliikur jääb füüsikaliselt võimatuks unistuseks, ei tähenda see, et meil oleks energiakriisile lahendused otsas. Selle asemel, et püüda rikkuda loodusseadusi, on teadlased ja insenerid keskendunud viisidele, kuidas kasutada olemasolevaid energiavooge nutikamalt.
Tulevik kuulub tehnoloogiatele, mis suudavad püüda universumis juba liikvel olevat energiat – olgu selleks päikesekiirgus, tuul, maapõuesoojus või loodete liikumine. Veelgi suurem potentsiaal peitub termotuumasünteesis (tuumafusioon), mis püüab jäljendada Päikese sisemuses toimuvaid protsesse. See ei oleks igiliikur, vaid kütust vajav jaam, kuid selle kütus (vesiniku isotoobid) on Maal peaaegu piiramatu ja protsess on süsinikuvaba.
Samuti on oluline suund energiatõhusus. Kui me ei saa toota energiat eimillestki, saame me vähendada kadusid – luua materjale, mis juhivad elektrit ilma takistuseta (ülijuhtivus), ehitada hooneid, mis ei leki soojust, ja masinaid, kus hõõrdumine on viidud miinimumini. Füüsikaseadused seavad meile piirid, kuid nende piiride sees on inimkonna innovatsioonil veel tohutult ruumi arenemiseks.
