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永久機関


ヨミ: エイキュウキカン
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永久機関とは、外部からのエネルギー供給などを一切必要とせずに、「仕事」をし続ける事の出来る機関である。
からエネルギーを作り出す第一種永久機関と、熱エネルギー100%変換する第二種永久機関がある。


定義


この場合の「仕事」とは物理学力学)の用であり、「他の物体に何らかのエネルギー)を持たせること」を意味する。
エネルギーとは位置エネルギー運動エネルギーなど様々であるが、例えば足元に置いてある段ボールを持ち上げて机の上に置いた場合、あなたは床から机の上の高さまでの分、段ボールに対して位置エネルギーを与えた事になり、仕事をしたと言う。

他者に対して仕事をするのはすなわちエネルギーの移動であるため、自身が持っているエネルギーの消費が必須である。
上記の段ボールを持ち上げる例で言えば、あなたの体の筋肉が持っているエネルギー筋肉の収縮と言う形で変換し、段ボールに位置エネルギーとして与えているのである。

この法則から逸脱するのが永久機関である。

仕事をする物体は自身が元々持っていたエネルギーを使い果たした時点で何の仕事も出来なくなるため、仕事をし続けるにはエネルギーを外部から取り入れる必要がある。あなたは食事をすることでカロリーを摂取し熱エネルギーを生み出す事で物を持ち上げるを保持し続けるのである。
しかし外部からのエネルギー供給を必要とせずに他者に対して仕事をし続ける事が出来る物がもし存在した場合、何も無いところからエネルギーが湧いて出ている事になり、仕事エネルギーの移動であると言う法則根本から覆す事になる。

古い定義

古い定義では、単に「外部からのエネルギー供給を必要とせずに、永久運動を行い続ける機関」と考えられてきた。
しかし、単に「運動」をするだけならば抵抗の全くない場所であれば慣性の法則により一度放り投げたボール永久に等速直線運動するし、回転させれば運動量保存の法則によってそのまま回転し続ける。地球上では重力空気抵抗など様々な抵抗が存在するためありえないが、宇宙空間なら惑星転と自転を何億年も続けているなどそれに近い例が存在する。
従って、「運動をし続けるだけ」であれば、それは「元々持っていたエネルギーをそのまま保持しているだけ」に過ぎないため、前述のように「仕事をする」事が永久機関の定義であるとしてめられた。


永久機関の種類



第一種永久機関


外部から一切のエネルギーの供給しに、外部のものに仕事永久にし続ける機関のこと。
本来仕事をするというのは、自分の内部に持っているエネルギーや外部から供給されたエネルギーをほかの物体に与えるこということなので、もし何の供給もなしにほかの物体にエネルギー尽蔵に与え続けることができるものがあるとすると、そのものは何もないところからエネルギーを生み出しているということになってしまう。

これが第一種永久機関であり、これが作成できなかったことで「エネルギーは決して生まれず、また消滅しない」という熱力学の第一法則エネルギー保存の法則が定まった。


第二種永久機関


とりあえず熱力学第一法則は認めたうえで次に考えられた永久機関、古典的な永久機関のようなからエネルギーを生み出す機関ではなく『自身が仕事によって一度吐き出したエネルギーを、再び回収して永久に使いまわす機関』というものである。

例えば、特殊な発電所と工場があるとして、発電所から送られた電気エネルギーは工場で機械を動かすという仕事に使われその後摩擦等によって最終的に全て熱エネルギーになる。
エネルギー保存則よりこの熱エネルギーは発電所から送られた電気エネルギーと等しい量のエネルギーを持っているのでこの熱エネルギーを回収し、これを熱にして発電機を動かして電気エネルギーに変換し、また工場に送る・・・とやれば、エネルギー保存則を守りながら永久に工場の機械を動かすことができるというのが第二種永久機関の原理である。

しかし、実際はそのようなことは実現しなかった。なぜならば、『分子のランダム運動集合』である熱エネルギーは『一方にってまとまった運動』である運動エネルギーを初め、他の種類のエネルギー全に変換することはできないからである。このことが解ったことで、エネルギーは量の他に『質』のようなものがあり、悪いほうから良いほうに100%持っていくことは出来ないという熱力学第二法則エントロピー増大の法則が作り出された。色々な表現があるが『熱エネルギー100%他のエネルギーに変換する機関は作れない』ということである。
これについては、その後もう一段階発展することになる⇒マクスウェルの悪魔


かつて考えられた永久機関のモデル


  1. 物理的な運動の利用
    第一種永久機関
    回転する物体の周囲に、一方向にしか曲がらないようにした棒を取り付け、その先に重りをつける。
    こうする事で、重りが頂点を過ぎて下降に入ると支柱が伸び、てこの原理により回転方向のモーメントが強く働くようになる。逆に底面を過ぎて上昇に入った支柱は折りたたまれるので逆回転のモーメントは弱くなり、常に回転方向のモーメントだけが強まるというモデル
    かしこモデルでは、図にあるように、「持ち上げられる側」の半分の方が重りの数が多くなってしまうため、トータルでは両者のモーメントがつりあってしまい、永久機関にはならない。
     
  2. 毛細管現による永久機関
    [画像を見る]
    の入った入れ物に細いガラス管などを立てると毛細管現によって面より高くなる。
    そこで、十分な高さまでが吸い上げられるガラス管を用意した上で、面より低い位置でガラス管を下に曲げるなりを開けるなりすれば、が落下する事で等を回して外部への仕事が出来ると考えられたモデル
    しかし実際は、表面張力というのはガラス管が濡れようとする、いは液体がガラス管の面にへばりつこうとするによって液面が上昇しているため(例えば、へばりつきにくい水銀を使うと、逆に周囲より液面がへこむ。)毛細管現で上げたはへばりついたまま落ちてこず、永久機関にはならない。
  3. による永久機関
    [画像を見る]
    上と下にが開いたがめを用意し、下からヒモで繋いだ浮きを入れる。そうすると浮きが浮によって押し上げられ、ヒモ全体が回転すると言うもの。
    実際は、下にを開けたがめのがこぼれると言う問題はともかくとして、下から浮きを差し込むにはがめの中の圧に負けないだけので押し込む必要が出来る(圧があるからこそ、下からがこぼれてくる)。もちろんこれは浮によって得られるエネルギーよりもかに大きいため、ヒモが回る事はい。
  4. ルフィレウスの永久機関
    18世紀初頭にオルフィレウス(ヨハンエルンスト・エリアス・ペスラー)が開発したとされる永久機関。
    実機が製作され展示までされたが、展示中は厳重な警備の元に内部構造が一切開されなかったと言う。最初の展示では機械が動き続ける様を多数の人々が確認したものの、内部構造が全く明かされなかったため疑いのが強かった(実際、時計職人によってバネを使った簡単な装置で似たような機械を作る事が出来るという報告もあった)。
    後に、「機械を稼動させ、絶対にも立ち入る事ができない部屋の中に安置し、所定の期間の後に再度部屋を開封して稼動し続けているかどうか確認する」と言う方法で疑いをらす実験をしたとされるが、この時もやはり内部構造は秘密にされたままであった。
    構造を解明するために、当時のオーストリア皇族・カール大公が装置の買取を申し出、イギリスの王立学府と協してオルフィレウスの提示した法外な額を承諾。しかし買取が行われる直前に、カール大公から派遣されてきた科学者の一人が勝手に機械を調しようとしたと言う理由でオルフィレウス自身が機械を破壊してしまったため、買取が行われる事はく、相は闇の中になってしまった。

フィクションの永久機関


漫画アニメなどのフィクションにはしばしば永久機関と呼ばれるものが登場する。


関連項目



最終更新日: 18/02/17 11:13
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