movimiento perpetuo

Una clasificación de las máquinas de movimiento perpetuo se refiere a la ley particular de la termodinámica que las máquinas pretenden violar: ^{[ 11 ]}

• Una máquina de movimiento perpetuo de primer tipo produce trabajo sin aporte de energía . Por lo tanto, viola la ley de conservación de la energía .
• Una máquina de movimiento perpetuo de segundo tipo es aquella que convierte espontáneamente la energía térmica en trabajo mecánico. Cuando la energía térmica es equivalente al trabajo realizado, esto no viola la ley de conservación de la energía. Sin embargo, sí viola la segunda ley de la termodinámica, más sutil , en un proceso cíclico (véase también entropía ). La característica distintiva de una máquina de movimiento perpetuo de segundo tipo es que solo interviene un depósito de calor, el cual se enfría espontáneamente sin transferencia de calor a un depósito más frío. Esta conversión de calor en trabajo útil, sin ningún efecto secundario, es imposible, según la segunda ley de la termodinámica.
• Una máquina de movimiento perpetuo de tercer tipo se define como aquella que elimina por completo la fricción y otras fuerzas disipativas, para mantener el movimiento indefinidamente debido a su inercia de masa ( en este caso, el término «tercero » se refiere únicamente a la posición en el esquema de clasificación anterior, no a la tercera ley de la termodinámica ). Es imposible construir una máquina de este tipo, ^{[ 12 ] [ 13 ]} ya que la disipación nunca puede eliminarse por completo en un sistema mecánico, por mucho que un sistema se acerque a este ideal (véanse los ejemplos en la sección  «Baja fricción» más adelante).

La « imposibilidad epistémica » describe cosas que son absolutamente imposibles dentro de nuestra formulación actual de las leyes físicas. Esta interpretación de la palabra «imposible» es la que se entiende en las discusiones sobre la imposibilidad del movimiento perpetuo en un sistema cerrado. ^{[ 14 ]}

Las leyes de conservación son particularmente robustas desde una perspectiva matemática. El teorema de Noether , demostrado matemáticamente en 1915, establece que cualquier ley de conservación puede derivarse de una simetría continua correspondiente de la acción de un sistema físico. ^{[ 15 ]} La simetría equivalente a la conservación de la energía es la invariancia temporal de las leyes físicas. Por lo tanto, si las leyes de la física no cambian con el tiempo, se deduce la conservación de la energía. Para que la conservación de la energía se violara y permitiera el movimiento perpetuo, sería necesario modificar los fundamentos de la física. ^{[ 16 ]}

Las investigaciones científicas sobre si las leyes de la física son invariables a lo largo del tiempo utilizan telescopios para examinar el universo en el pasado remoto y descubrir, dentro de los límites de nuestras mediciones, si las estrellas antiguas eran idénticas a las estrellas actuales. La combinación de diferentes mediciones, como la espectroscopia , la medición directa de la velocidad de la luz en el pasado y otras mediciones similares, demuestra que la física se ha mantenido sustancialmente igual, si no idéntica, durante todo el tiempo observable, que abarca miles de millones de años. ^{[ 17 ]}

Los principios de la termodinámica están tan bien establecidos, tanto teórica como experimentalmente, que las propuestas de máquinas de movimiento perpetuo son universalmente rechazadas por los físicos. Cualquier diseño propuesto de movimiento perpetuo ofrece un desafío potencialmente instructivo para los físicos: se tiene la certeza de que no puede funcionar, por lo que se debe explicar cómo falla. La dificultad (y el valor) de tal ejercicio depende de la sutileza de la propuesta; las mejores suelen surgir de los propios experimentos mentales de los físicos y a menudo arrojan luz sobre ciertos aspectos de la física. Así, por ejemplo, el experimento mental de un trinquete browniano como máquina de movimiento perpetuo fue discutido por primera vez por Gabriel Lippmann en 1900, pero no fue hasta 1912 que Marian Smoluchowski dio una explicación adecuada de por qué no puede funcionar. ^{[ 18 ]} Sin embargo, durante ese período de doce años, los científicos no creían que la máquina fuera posible. Simplemente desconocían el mecanismo exacto por el cual inevitablemente fallaría.

La ley de que la entropía siempre aumenta —la segunda ley de la termodinámica— ocupa, a mi parecer, la posición suprema entre las leyes de la naturaleza. Si alguien te señala que tu teoría favorita del universo contradice las ecuaciones de Maxwell, peor para estas últimas. Si se descubre que la observación la contradice, bueno, a veces los experimentalistas cometen errores. Pero si se descubre que tu teoría contradice la segunda ley de la termodinámica, no puedo darte ninguna esperanza; no te queda más remedio que derrumbarte en la más profunda humillación.

A mediados del siglo XIX, Henry Dircks investigó la historia de los experimentos de movimiento perpetuo y escribió un ataque virulento contra aquellos que seguían intentando lo que él creía imposible:

Hay algo lamentable, degradante y casi insensato en perseguir con tenaz determinación los planes visionarios de épocas pasadas, en caminos del saber que han sido investigados por mentes superiores y que tales personas aventureras desconocen por completo. La historia de Movimiento Perpetuo es una historia de la temeridad de personas con conocimientos limitados o totalmente ignorantes. ^{[ 19 ]}

Algunas ideas comunes se repiten constantemente en los diseños de máquinas de movimiento perpetuo. Muchas ideas que siguen vigentes hoy en día fueron enunciadas ya en 1670 por John Wilkins , obispo de Chester y funcionario de la Royal Society . En ellas , describió tres posibles fuentes de energía para una máquina de movimiento perpetuo: « Extracciones químicas » , «Virtudes magnéticas» y «la influencia natural de la gravedad». ^{[ 1 ]}

La capacidad aparentemente misteriosa de los imanes para influir en el movimiento a distancia sin ninguna fuente de energía aparente ha fascinado a los inventores durante mucho tiempo. Uno de los primeros ejemplos de motor magnético fue propuesto por Wilkins y ha sido ampliamente copiado desde entonces: consiste en una rampa con un imán en la parte superior, que atraía una bola de metal hacia arriba. Cerca del imán había un pequeño orificio que permitía que la bola cayera por debajo de la rampa y volviera a la parte inferior, donde una compuerta le permitía regresar a la parte superior. Sin embargo, si el imán debe ser lo suficientemente fuerte como para atraer la bola hacia arriba, no puede ser lo suficientemente débil como para permitir que la gravedad la atraiga a través del orificio. Ante este problema, las versiones más modernas suelen utilizar una serie de rampas e imanes, colocados de manera que la bola pase de un imán a otro a medida que se mueve. El problema persiste.

La gravedad también actúa a distancia, sin una fuente de energía aparente, pero para obtener energía de un campo gravitatorio (por ejemplo, al dejar caer un objeto pesado, que produce energía cinética al caer) hay que aportar energía (por ejemplo, al levantar el objeto), y siempre se disipa algo de energía en el proceso. Una aplicación típica de la gravedad en una máquina de movimiento perpetuo es la rueda de Bhaskara del siglo XII, cuya idea clave es en sí misma un tema recurrente, a menudo denominada rueda desequilibrada: se colocan pesas móviles en una rueda de tal manera que caen a una posición más alejada del centro de la rueda durante la mitad de su rotación, y más cerca del centro durante la otra mitad. Dado que las pesas más alejadas del centro ejercen un mayor par motor , se pensaba que la rueda giraría indefinidamente. Sin embargo, como el lado con las pesas más alejadas del centro tiene menos pesas que el otro lado, en ese momento el par motor se equilibra y no se alcanza el movimiento perpetuo. ^{[ 20 ]} Los pesos móviles pueden ser martillos sobre brazos pivotantes, o bolas rodantes, o mercurio en tubos; el principio es el mismo.

Otra máquina teórica implica un entorno sin fricción para el movimiento. Esto implica el uso de levitación diamagnética o electromagnética para hacer flotar un objeto. Esto se realiza en el vacío para eliminar la fricción del aire y la fricción del eje. El objeto levitado puede entonces girar libremente alrededor de su centro de gravedad sin interferencias. Sin embargo, esta máquina carece de utilidad práctica, ya que el objeto que gira no puede realizar trabajo alguno, puesto que el trabajo requiere que el objeto levitado provoque movimiento en otros objetos, lo que introduce fricción en el problema. Además, un vacío perfecto es un objetivo inalcanzable, ya que tanto el recipiente como el objeto mismo se vaporizarían lentamente , degradando así el vacío.

Para extraer trabajo del calor y, por lo tanto, producir una máquina de movimiento perpetuo de segundo tipo, el enfoque más común (que se remonta al menos al demonio de Maxwell ) es la unidireccionalidad . Solo las moléculas que se mueven lo suficientemente rápido y en la dirección correcta pueden pasar por la trampilla del demonio. En un trinquete browniano , las fuerzas que tienden a hacerlo girar en una dirección pueden hacerlo, mientras que las fuerzas en la dirección opuesta no. Un diodo en un baño térmico permite el paso de corrientes en una dirección y no en la otra. Estos esquemas suelen fallar de dos maneras: o bien mantener la unidireccionalidad cuesta energía (requiere que el demonio de Maxwell realice más trabajo termodinámico para medir la velocidad de las moléculas que la cantidad de energía ganada por la diferencia de temperatura causada) o bien la unidireccionalidad es una ilusión y las grandes violaciones ocasionales compensan las pequeñas no violaciones frecuentes (el trinquete browniano estará sujeto a fuerzas brownianas internas y, por lo tanto, a veces girará en la dirección incorrecta).

La flotabilidad es otro fenómeno frecuentemente malinterpretado. Algunas máquinas de movimiento perpetuo propuestas no tienen en cuenta que empujar un volumen de aire hacia abajo en un fluido requiere el mismo trabajo que elevar un volumen equivalente de fluido contra la gravedad. Este tipo de máquinas pueden constar de dos cámaras con pistones y un mecanismo para expulsar el aire de la cámara superior a la inferior, que entonces adquiere flotabilidad y asciende a la superficie. El mecanismo de compresión en estos diseños no sería capaz de realizar el trabajo suficiente para desplazar el aire hacia abajo, o no dejaría trabajo sobrante disponible para ser extraído.

Algunos ejemplos de este tipo de dispositivos son:

• El juguete con forma de pájaro bebedor funciona mediante pequeños gradientes de temperatura ambiente y evaporación. Permanece en funcionamiento hasta que se evapora toda el agua.
• Una bomba de agua basada en la acción capilar funciona utilizando pequeños gradientes de temperatura ambiente y diferencias de presión de vapor . Con el "recipiente capilar", se pensaba que la acción capilar mantendría el agua fluyendo por el tubo, pero dado que la fuerza de cohesión que inicialmente impulsa el líquido hacia arriba por el tubo impide que la gota se libere en el recipiente, el flujo no es continuo.
• Un radiómetro de Crookes consiste en un recipiente de vidrio con vacío parcial que contiene una hélice ligera que se mueve mediante gradientes de temperatura (inducidos por la luz).
• Cualquier dispositivo que capte cantidades mínimas de energía de la radiación electromagnética natural que lo rodea, como por ejemplo un motor alimentado por energía solar.
• Cualquier dispositivo que funcione mediante cambios en la presión del aire, como algunos relojes ( el reloj de Cox , el reloj Beverly ). El movimiento extrae energía del aire en movimiento, que a su vez obtiene su energía al ser sometido a dicha presión.
• Una bomba de calor , debido a que tiene un COP superior a 1: la energía que consume como trabajo es menor que la energía que transfiere como calor.
• El reloj Atmos utiliza los cambios en la presión de vapor del cloruro de etilo con la temperatura para dar cuerda al muelle del reloj.
• Un dispositivo alimentado por reacciones nucleares inducidas o por la desintegración radiactiva de un isótopo con una vida media relativamente larga ; dicho dispositivo podría funcionar durante cientos o miles de años.
• El timbre eléctrico de Oxford y la pila de Karpen funcionan con baterías de pila seca .

• En el almacenamiento de energía mediante volantes de inercia , "los volantes de inercia modernos pueden tener un tiempo de descarga sin carga medible en años". ^{[ 30 ]}
• Una vez en rotación, los objetos en el vacío del espacio —estrellas, agujeros negros, planetas, lunas, satélites estabilizados por rotación , etc.— disipan energía muy lentamente, lo que les permite girar durante largos períodos. Las mareas en la Tierra disipan la energía gravitacional del sistema Luna/Tierra a una tasa promedio de aproximadamente 3,75 teravatios . ^{[ 31 ] [ 32 ]}

En 2016, ^{[ 33 ]} se descubrieron nuevos estados de la materia, cristales de tiempo , en los que, a escala microscópica, los átomos componentes están en continuo movimiento repetitivo, satisfaciendo así la definición literal de "movimiento perpetuo". ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]} Sin embargo, estos no constituyen máquinas de movimiento perpetuo en el sentido tradicional, ni violan las leyes termodinámicas, porque están en su estado fundamental cuántico , por lo que no se puede extraer energía de ellos; exhiben movimiento sin energía.

En algunos casos, un experimento mental parece sugerir que el movimiento perpetuo podría ser posible mediante procesos físicos aceptados y comprendidos. Sin embargo, en todos los casos, se ha encontrado una falla al considerar toda la física relevante. Algunos ejemplos son:

• El demonio de Maxwell : Originalmente se propuso para demostrar que la segunda ley de la termodinámica se aplicaba solo en el sentido estadístico, postulando un "demonio" capaz de seleccionar moléculas energéticas y extraer su energía. Análisis posteriores (y experimentos) han demostrado que no existe forma de implementar físicamente un sistema así sin que ello genere un aumento general de la entropía .
• Trinquete browniano : En este experimento mental, se imagina una rueda de paletas conectada a un trinquete. El movimiento browniano provocaría que las moléculas de gas circundantes chocaran con las paletas, pero el trinquete solo permitiría que girara en una dirección. Un análisis más exhaustivo demostró que, al considerar un trinquete físico a escala molecular, el movimiento browniano también lo afectaría, provocando fallos aleatorios que resultarían en una ganancia neta nula. Por lo tanto, el dispositivo no violaría las leyes de la termodinámica .
• Energía del vacío y energía del punto cero : Para explicar efectos como las partículas virtuales y el efecto Casimir , muchas formulaciones de la física cuántica incluyen una energía de fondo que impregna el espacio vacío, conocida como energía del vacío o energía del punto cero. La capacidad de aprovechar la energía del punto cero para realizar trabajo útil es considerada pseudociencia por la comunidad científica en general. ^{[ 38 ] [ 39 ]} Los inventores han propuesto varios métodos para extraer trabajo útil de la energía del punto cero, pero ninguno ha resultado viable, ^{[ 38 ] [ 40 ]} ninguna afirmación sobre la extracción de energía del punto cero ha sido validada por la comunidad científica, ^{[ 41 ]} y no hay evidencia de que la energía del punto cero pueda usarse en violación de la conservación de la energía. ^{[ 42 ]}
• Paradoja del elipsoide : Esta paradoja considera una cavidad perfectamente reflectante con dos cuerpos negros en los puntos A y B. La superficie reflectante está compuesta por dos secciones elípticas E₁ y E₂ y una sección esférica S , y los cuerpos en A y B se encuentran en los focos comunes de las dos elipses, mientras que _{B está} en el centro de S. Esta configuración es tal que el cuerpo negro en B se calienta con respecto a A : la radiación que se origina en el cuerpo negro en A incidirá y será absorbida por el cuerpo negro en B. De manera similar, los rayos que se originan en el punto B e inciden en E₁ y E₂ se reflejarán hacia A. Sin embargo , una _proporción significativa de los rayos que parten de B _e inciden en S se reflejarán de vuelta hacia B. Esta paradoja se resuelve cuando se consideran tamaños finitos de los cuerpos negros en lugar de cuerpos negros puntuales. ^{[ 43 ] [ 44 ]}