INICIO

Links

Randal Woods, Perpetual Motion Machines

Eric's History of Perpetual Motion and Free Energy Machines

Hans Peter Gramatke

Donald E. Simanek

Fernando Salvador, La Utopía es parte de la Realidad

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Miguel Hoyuelos
 

 

Máquinas de movimiento perpetuo y las leyes de la termodinámica

Miguel Hoyuelos, Departamento de Física, FCEyN, Universidad Nacional de Mar del Plata, Funes 3350, Mar del Plata, Argentina

La búsqueda del móvil perpetuo ocupa en la historia de la ciencia un espacio notable.  Los diseños realizados, los errores cometidos y los intentos por corregirlos contribuyeron en gran medida al desarrollo de la parte de la física que estudia las transformaciones de energía: la termodinámica.  Estas transformaciones de energía se refieren, por ejemplo, a la conversión parcial de calor en movimiento ordenado que tiene lugar en cualquier máquina que consume algún tipo de combustible, lo que da idea de la enorme importancia práctica que tiene la termodinámica.  Una vez establecidas las leyes de la termodinámica durante la segunda mitad del siglo XIX, quedó clara la imposibilidad de construir una máquina de movimiento perpetuo.  Estas leyes están tan bien establecidas como la ley de la gravedad, por lo tanto, esperar que no se cumplan es equivalente a esperar que una piedra, al soltarla, no caiga.  Es importante distinguir entre el movimiento perpetuo que se tiene, por ejemplo, en un péndulo que idealmente carezca de rozamiento con el de una máquina de movimiento perpetuo.  La máquina, además de funcionar en forma perpetua y autónoma (o sea, sin recibir energía del exterior), produce un trabajo útil como, por ejemplo, hacer girar una rueda, como se ve en la Figura 1.  Este trabajo útil no se puede extraer de un péndulo sin rozamiento porque, en cuanto uno lo intenta, el péndulo se frena y el movimiento perpetuo se destruye.


Figura 1.  Esquema de una máquina de movimiento perpetuo.  Además de funcionar en forma autónoma, la máquina debe realizar algún trabajo, como hacer girar una rueda.


La máquina de movimiento perpetuo se ha tornado sinónimo de quimera inalcanzable.  Sin embargo, la fascinación que produce no cesa y los intentos por construir una continúan.  De hecho, al observar un diseño, es casi inevitable pasar algunos minutos observando los mecanismos involucrados y analizando los detalles.  La primera reacción es, en general, de escepticismo porque, aunque uno no conozca las leyes de la termodinámica, posee la intuición de que no es posible sacar algo de la nada (o crear energía o trabajo útil sin consumir un combustible).  Esta intuición se remonta a la antigüedad y fue enunciada por el filósofo griego Anaxágoras en el año 500 antes de Cristo: “Ex nihilo nihil”.  La segunda impresión produce excitación, porque al analizar el diseño parece que podría funcionar, lo que daría lugar a una revolución científica al descubrir una falla en las leyes de la termodinámica.  La tercera impresión diluye la excitación y hace que uno retorne al escepticismo original porque invariablemente se encuentra alguna falla en el diseño.

En los párrafos que siguen se expondrán algunas máquinas de movimiento perpetuo que se diseñaron a lo largo de la historia, ordenadas en forma cronológica, y se intentará explicar, de la manera más simple posible, por qué no funcionan. 


Las máquinas de movimiento perpetuo desde la antigüedad hasta el siglo XIX.

El diseño más antiguo y del que se han hecho más variaciones a lo largo de la historia es el de la rueda desbalanceada.  Una varilla con dos pesos iguales en los extremos se coloca en forma horizontal sobre un punto de apoyo que está justo en el centro.  Como los pesos y los brazos de palanca son iguales, la varilla estará en equilibrio y no se moverá.  Si el peso de la izquierda se desplaza un poco hacia el centro, la varilla empezará a rotar y, luego de algunas oscilaciones, la pesa de la derecha quedará colgando hacia abajo.  Ahora, en lugar de una varilla, se colocan varias que forman los rayos de una rueda.  Mediante algún mecanismo, se hace que las pesas a la derecha de la rueda estén en el extremo de cada varilla mientras que las que están a la izquierda se desplazan un poco hacia el centro.  Esta rueda estaría permanentemente desbalanceada y nunca dejaría de rotar.

El primer registro de una máquina de movimiento perpetuo corresponde al astrónomo y matemático indio Brahmagupta, del siglo VII.  Se trataba de una rueda desbalanceada que poseía rayos huecos llenos hasta la mitad de mercurio.  Otros astrónomos de la India produjeron variaciones de esta rueda: Lalla en el siglo VIII y Bhaskara en el siglo XII.  El diseño de Bhaskara, que se muestra en la Figura 2, es una modificación de la Dharma Chakra, o rueda de la ley, uno de los símbolos más importantes de la India (aparece en el centro de la bandera india) que representa el eterno ciclo de muerte y renacimiento.  El objetivo de Bhaskara no era aprovechar el movimiento para producir trabajo mecánico, sino dotar a la Dharma Chakra de movimiento perpetuo para transformarla en un símbolo más completo de eternidad.  La rueda está formada por rayos huecos e inclinados como se ve en la Figura 2.  Cada rayo está lleno hasta la mitad de mercurio.  Debido a la inclinación de los rayos, a la derecha de la rueda el mercurio se aleja del centro mientras que, a la izquierda, se acerca.  Estos desplazamientos producirían diferencias de brazo de palanca que harían rotar la rueda en el sentido de las agujas del reloj.  ¿Por qué no funciona?  Si se observan los tubos que están justo abajo y arriba del eje se verá que, en ambos casos, el mercurio está desplazado a la izquierda.  Esto hace que en la mitad izquierda de la rueda siempre haya un poco más de mercurio que en la mitad derecha.  Esta diferencia compensa exactamente el desbalance debido a las diferencias de brazo de palanca.


Figura 2.  Rueda de Bhaskara, s XII, India.  Los rayos de la rueda son huecos y están llenos hasta la mitad de mercurio.  Por la inclinación de los rayos, la rueda, en teoría, debería girar en el sentido de las agujas del reloj.


En occidente, el diseño más antiguo conocido es el de Villard de Honnecourt, un arquitecto francés del siglo XIII (Figura 3).  La idea de Honnecourt es simple y la razón por la que falla es bastante evidente.  También entra dentro de la categoría de ruedas desbalanceadas.   Se tiene una rueda con un número impar de pesos adosados a lo largo de su circunferencia.  Si se traza una línea vertical que pase por el eje de la rueda, debido a que el número de pesos es impar, siempre habrá un peso más en alguno de los costados.  Esta diferencia mantendría a la rueda en movimiento perpetuo.  Lo que en realidad sucede es que la rueda termina deteniéndose con uno de los pesos en su parte más baja, justo en el centro, e igual cantidad de pesos a ambos costados.


Figura 3.  Máquina de Villard de Honnecourt, s XIII.  Es una rueda desbalanceada con un número impar de pesos a lo largo de su circunferencia.

Leonardo da Vinci, entre los siglos XV y XVI, dibujó algunas variantes de ruedas desbalanceadas.  Sin embargo, aunque Leonardo carecía de las herramientas teóricas que se desarrollaron durante el siglo XIX para el análisis de máquinas, se dio cuenta de que esos diseños no podían funcionar y explicó esta imposibilidad utilizando argumentos similares a los que se presentan acá.  Leonardo manifestó su escepticismo en los siguientes comentarios: “Oh, buscadores de movimiento perpetuo, ¿cuántas quimeras vanas han perseguido?  Vayan y tomen su lugar junto a los alquimistas.”  “Los que quieren enriquecerse en un día, viven todo el tiempo en la pobreza,... como los ingenieros que quieren que el agua muerta dé vida a sí misma con movimiento perpetuo.”  En este último comentario, Leonardo se refiere a un tipo diferente de máquina: los molinos de recirculación.  Estos molinos utilizan un tornillo de Aquímedes para elevar agua que, al caer, mueve una rueda de molino que, a su vez, activa al tornillo que eleva el agua.

Robert Fludd fue un médico, alquimista, astrólogo, filósofo y místico inglés del siglo XVII.  Publicó un libro con varios diseños de molinos de recirculación, como el de la Figura 4.  La columna de la derecha es una bomba de agua con una cadena de discos de cuero que encajan perfectamente en su interior.  El agua sube, se desplaza por la canaleta y mueve la rueda de la izquierda que, a través de distintos engranajes, mueve también la bomba de agua.  Fludd atribuía este diseño a “cierto italiano” y era bastante escéptico acerca de su posible funcionamiento.  Escribió: “El italiano, engañado por sus propios pensamientos, concibió que tanta agua sería bombeada como la necesaria para mantener la rueda perpetuamente en movimiento …; pero dado que calculó las proporciones de potencia en forma equivocada, se engañó en la práctica.”  “Es innecesario precisar que este atractivo principio se ha ensayado varias veces por gente que a menudo era totalmente inexperta en principios mecánicos, y que no vio el serio error de estos dispositivos, y por lo tanto desperdició esfuerzo, dinero y tiempo en ideas viejas y sin valor.”   Algunos de estos diseños fueron patentados en Gran Bretaña durante el siglo XIX, los mismos que Fludd, dos siglos antes, había considerado como ideas viejas y sin valor.


Figura 4.  Molino de recirculación, del libro de Robert Fludd, s XVII.  El agua que cae por la canaleta hacer girar una rueda que, por medio de engranajes, activa una bomba que eleva el agua.

También se ha intentado utilizar la fuerza magnética para lograr el movimiento perpetuo.  John Wilkins, obispo y matemático inglés fundador de la British Royal Society, presentó una máquina magnética en su libro Mathematical Magick, en el siglo XVII.  La Figura 5 muestra la ilustración que Wilkins publicó.  La esfera sobre el pilar, a la izquierda, es un imán.  Sobre la rampa, en el punto E, hay una esfera metálica más pequeña.  Por la atracción magnética, la esfera pequeña sube la rampa hasta que llega al punto B, donde hay un agujero por el que cae por la fuerza de gravedad.  La esfera recorre el camino inverso por la rampa curva inferior hasta llegar al punto inicial, donde vuelve a subir atraída por el imán.  Lo que en la práctica sucede es que, si el imán es lo suficientemente fuerte, la esfera no cae por el agujero sino que queda pegada al imán.  Si, en cambio, la atracción magnética no es tan intensa, la esfera cae por el agujero pero la acción del imán continúa de modo que la esfera no llega a recorrer todo el camino de vuelta y se detiene en algún punto intermedio de la rampa inferior.  Wilkins conocía la existencia de estas dificultades, sin embargo se mantenía optimista acerca de la posibilidad de que, en el futuro, se lograra el movimiento perpetuo con un dispositivo magnético: “Ninguno de estos experimentos magnéticos que han sido hasta ahora descubiertos son suficientes para realizar movimiento perpetuo, aunque estas cualidades parecen las más adecuadas para alcanzarlo, y quizá, en algún momento, pueda ser obtenido de ellas.”  Si Wilkins hubiera vivido dos siglos, habría podido ver su máquina funcionando.  En el siglo XIX se introdujo una modificación: el imán fue reemplazado por un electroimán.  Ahora, cuando la esfera cae por el orificio B atraída por el electroimán, toca un interruptor que lo desconecta, de modo que, empujada sólo por la fuerza de gravedad, llega hasta el punto inicial F, donde toca otro interruptor que enciende el electroimán y vuelve a subir.  La máquina funciona pero, por supuesto, no es de movimiento perpetuo.  No es una máquina autónoma pues requiere una fuente de energía externa que es la batería que alimenta al electroimán.  Un timbre funciona de la misma forma.


Figura 5.  Máquina magnética de Wilkins, s XVII.  La esfera grande, arriba a la izquierda, es un imán que atrae a la esfera metálica pequeña en el punto E.  Se supone que la esfera pequeña debería caer por el agujero en el punto B y repetir el circuito indefinidamente.


Una de las principales motivaciones para la búsqueda de una máquina de movimiento perpetuo ha sido la observación del movimiento perpetuo natural.  La naturaleza siempre está en movimiento, ¿por qué no intentar reproducir ese movimiento perpetuo con una máquina?  Un movimiento perpetuo natural sencillo es el fluir de los ríos, que puede aumentar o disminuir dependiendo de las estaciones, pero nunca cesa.  El proceso completo es conocido como ciclo del agua: los rayos del sol evaporan agua de la superficie de lagos y mares, el vapor forma nubes, las nubes producen lluvia que alimenta a los ríos, los ríos fluyen a lagos y mares, y el ciclo se repite.  No se trata de un movimiento perpetuo en el sentido usual porque es necesaria una fuente de energía externa: el sol.  Esta explicación del ciclo del agua, que hoy en día se aprende en las escuelas, es sencilla y hasta parece evidente.  Sin embargo, no es obvia y a la humanidad le ha llevado bastante tiempo descubrirla.  Una de las razones es que, a simple vista, no parece posible que la evaporación sea suficiente para alimentar a los ríos de la Tierra.  En el siglo XVII, la explicación era distinta.  En la Figura 6 se reproduce un dibujo de Athanasius Kircher, un jesuita alemán que enseñaba en Roma y que diseñó algunas máquinas de movimiento perpetuo.  La imagen ilustra la teoría popular de su época acerca del ciclo del agua.  El agua de los lagos es absorbida hacia abajo y forma remolinos en la superficie.  En el fondo del lago el agua se introduce en canales subterráneos, de color negro en la figura, que ascienden hasta las montañas, donde el agua surge en forma de manantiales que forman ríos que desembocan en el lago y el ciclo se completa.  La pregunta inmediata es: ¿cómo puede el agua ascender por sí sola la altura de una montaña?  La respuesta de la teoría es: por capilaridad.  En un tubo capilar el agua asciende una altura de sólo algunos centímetros.  Pero aún suponiendo que el agua pudiera subir una montaña por capilaridad, al llegar a la cima no manaría pues la misma fuerza de capilaridad le impide surgir.  Estos argumentos se ven más claramente con un experimento a escala de laboratorio.  Robert Boyle fue uno de los científicos más brillantes de la historia y es recordado, principalmente, por haber propuesto la ley de los gases en el siglo XVII.  Boyle, quizá inspirado por la teoría del ciclo del agua de su época, propuso la máquina de movimiento perpetuo de la Figura 7.  El agua asciende por capilaridad por el tubo que se curva en la parte superior.  Luego, el agua cae por el extremo del tubo y puede realizar trabajo como, por ejemplo, mover una rueda.  El efecto de capilaridad tiene su origen en una fuerza de atracción entre el tubo y el agua: el agua sube porque las paredes del tubo tiran de ella hacia arriba.  Pero el mismo efecto existe en el extremo del tubo desde el cual supuestamente el agua debería caer.  El agua no cae porque la misma fuerza de capilaridad la retiene.


Figura 6.  Ilustración de Kircher del ciclo del agua, s XVII.  Según esta teoría, en los lagos se forman remolinos debido a que el agua es absorbida en los lechos y conducida, a través de los canales oscuros subterráneos, hasta las cimas de las montañas, donde surge como manantiales y regresa a los lagos a través de arroyos y ríos.


Figura 7.  Máquina de capilaridad de Boyle, s XVII.  El agua asciende por capilaridad.  Luego cae por la fuerza de gravedad y hace girar una rueda.  En la práctica, la misma fuerza de capilaridad impide caer al agua.

Durante los siglos XVIII y XIX se diseñaron varios modelos de rueda desbalanceada, cada vez más complejos.  Todos pueden considerarse variantes, más o menos sofisticadas, de las ideas de Brahmagupta, Lalla y Bhaskara.  La repetición de los intentos es un indicio de lo atractivo que resulta la idea de la rueda desbalanceada.  La causa de esta fascinación es lo sencillo de la idea y la sensación de que el éxito está al alcance de la mano, sólo falta una pequeña modificación o reducir un poco la fricción.  Pero ninguna modificación ha funcionado y la fricción nunca es el problema principal.


El concepto de energía, la primera ley de la termodinámica y algunas máquinas patentadas

Durante el siglo XIX surgieron las herramientas necesarias para poder analizar las máquinas que funcionan en forma cíclica.  El primer paso importante fue la aparición del concepto de energía, introducido por Thomas Young en 1807.  El nombre de Young debe sonar conocido para aquellos que hayan estudiado elasticidad o interferencia de la luz, fue también él quien dio los primeros pasos para descifrar los jeroglíficos egipcios.  Existen dos tipos básicos de energía: la potencial y la cinética.  Un cuerpo tiene energía potencial si tiene la capacidad latente de entrar en movimiento.  Por ejemplo, una pelota que se encuentre a dos metros de altura tiene mayor energía potencial que otra que se encuentre al ras del piso simplemente por tener la capacidad de caer.  Dentro de nuestros cuerpos también existe esta capacidad latente de entrar en movimiento, y lo mismo se tiene en el tanque de nafta de un automóvil.  Este último tipo de energía es más comúnmente llamado energía química.  En física, el término “energía potencial” tiene un significado más restringido y sólo se refiere a las situaciones en las cuales dicha energía puede expresarse en función de la posición del cuerpo en el espacio, como en el caso de la pelota que está a una altura de dos metros.  En el caso de la energía en nuestros cuerpos o en el tanque de un auto la situación es más compleja, sin embargo también podemos referirnos a este tipo de energía como “potencial” en el sentido más amplio mencionado antes, o sea, como la capacidad latente de entrar en movimiento.  Pero un cuerpo tiene energía no sólo por tener la capacidad de moverse sino también por estar moviéndose.  Este tipo de energía es la cinética.  Cuando la pelota cae, su energía potencial disminuye porque pierde altura, pero aumenta su energía cinética, porque gana velocidad, de modo tal que la suma de las dos se mantiene constate.  Luego de algunos rebotes, la pelota se queda quieta en el suelo.  ¿Qué sucedió con la energía que tenía?  Aunque la pelota parezca que está completamente quieta, en realidad se está moviendo más que antes.  Pero ahora, en lugar de tratarse de un movimiento ordenado de toda la pelota, es un movimiento desordenado a nivel microscópico de las moléculas que la componen.  Si pudiéramos ver a escala atómica veríamos que los átomos y moléculas de la pelota se están sacudiendo más violentamente que antes de caer.  Este aumento del movimiento a nivel microscópico puede ser detectado como un cambio de temperatura.  En un ejemplo como el de la pelota, el cambio de temperatura es muy pequeño, pero puede ser detectado con los instrumentos adecuados.  La energía cinética del movimiento desordenado a nivel microscópico es más comúnmente llamada energía térmica.

En 1842, el médico alemán Julius von Mayer propuso una de las leyes más importantes de la física: la ley de conservación de energía, también conocida como la primera ley de la termodinámica.  La energía puede transformarse de un tipo a otro, pero la suma siempre se mantiene constante.  Esta ley prohíbe la creación de una máquina de movimiento perpetuo, pues tal máquina crearía energía de la nada (se trata, en general, de energía cinética del movimiento de, por ejemplo, una rueda como en la Figura 1).  ¿Por qué son importantes las leyes de la física?  ¿Por qué los físicos creemos en ellas?  A principios del siglo XX un inventor presentó una máquina de movimiento perpetuo en la oficina de patentes de Argentina.  Se le contestó con una nota que decía que su máquina violaba principios fundamentales de la mecánica y la hidráulica.  Él respondió diciendo: “Las leyes mecánicas e hidráulicas no son importantes pues estoy convencido de mi teoría.”  El origen de esta disputa está en la diferencia de criterios para determinar qué es lo verdadero.  El criterio que se utiliza en ciencia para determinar la veracidad de una afirmación es el de la comprobación experimental.  Se acepta como verdadera la ley de conservación de energía no porque von Mayer haya sido un científico prestigioso (de hecho no lo era y su nombre está aún ausente en muchos libros de física) ni porque tal ley haya sido impuesta por una ortodoxia, sino únicamente porque todos los experimentos la confirman.  Cada vez que se hacen mediciones la naturaleza siempre se comporta de acuerdo con la ley de conservación de energía.  Otro argumento a favor de la conservación de energía es que esta ley permaneció inmutable luego de las revoluciones de la relatividad y la mecánica cuántica del siglo XX.  Lo mismo sucedió con la segunda ley de la termodinámica, de la que se hablará más adelante.  Todas las fuerzas de la naturaleza (eléctrica, magnética, gravitacional y nucleares) se comportan de tal forma que conservan la energía.  La única forma de construir una máquina de movimiento perpetuo sería utilizando un tipo de fuerza totalmente distinta de las conocidas y jamás observada.

Desde 1775, antes de que se establecieran las leyes de la termodinámica, la Academia de Ciencias de Francia rachaza contestar cualquier propuesta sobre máquinas de movimiento perpetuo.  Según un artículo de la Enciclopedia Británica, de 1999, las oficinas de patentes de Gran Bretaña y Estados Unidos hace mucho tiempo que dejaron de considerar presentaciones de máquinas de movimiento perpetuo.  Estas afirmaciones, junto a las leyes de la termodinámica, hacen pensar que el afán por construir máquinas de movimiento perpetuo ha desaparecido y que sólo tienen un interés histórico.  La situación actual es bastante distinta.  Lo que dice el artículo de la Enciclopedia Británica es incorrecto: en los Estados Unidos se siguen patentando máquinas de movimiento perpetuo.  En el sitio web de Simanek (ver la bibliografía) se puede encontrar una larga lista de patentes, la última es de 2003. 

En 1976 se patentó en Estados Unidos un “generador de energía por desplazamiento de fluidos impulsado gravitacionalmente.”  Consistía en un conjunto de cilindros adosados a una cinta sin fin y con pistones que permitían la entrada y salida de agua de modo que los cilindros de la izquierda estuvieran llenos de aire y los de la derecha llenos de agua.  En teoría, la flotabilidad de los cilindros hace rotar la máquina.  En la práctica, la máquina no funciona ni siquiera suponiendo la ausencia de rozamiento en todos sus componentes.  Pero este defecto no es, quizá, el más grave.  Su otro defecto es que no es original.  Fue patentada antes, en 1913, en Argentina, con una modificación: en lugar de cilindros con pistones usa fuelles, como se ve en la Figura 8.  Los extremos negros de los fuelles están fijos a lo largo de la cinta sin fin.  Los extremos rojos son pesas que se pueden desplazar inflando y desinflando los fuelles, de modo que los de la izquierda flotan y los de la derecha se hunden.  Sin embargo, si se observan los fuelles que están justo arriba y abajo, se ve que sus pesos están desplazados a la izquierda.  El exceso de peso del costado izquierdo compensa la flotabilidad de los fuelles.  En conclusión, la máquina no se mueve.  El diseño argentino no es tampoco el original; antes, en el siglo XIX, existían modelos de este tipo y uno de ellos fue también patentado en Gran Bretaña en 1861.


Figura 8.  Máquina patentada en Argentina, en 1913.  La máquina está sumergida en agua y los fuelles contienen aire.  El extremo rojo de cada fuelle es una pesa móvil.  Los fuelles del lado derecho están comprimidos y los del izquierdo se inflan, flotan y, supuestamente, harían rotar a la máquina en el sentido de las agujas del reloj.

En resumen, se sabe que no es posible construir una máquina de movimiento perpetuo con la misma certeza con la que se sabe que las manzanas caen cuando se desprenden de los árboles.  Sin embargo, la fascinación por el movimiento perpetuo parece no tener fin.  Algo que ha cambiado con el tiempo es el lenguaje.  El término “movimiento perpetuo” tiene connotaciones negativas.  Los inventores actuales prefieren hablar de “over-unity machine”, o máquina por sobre la unidad.  El nombre indica que la máquina tendría una eficiencia mayor que uno.  La eficiencia es el cociente entre la energía útil que la máquina entrega y la energía que consume, por lo tanto, si la eficiencia es mayor que uno se produciría más energía que la que se consume y se violaría la ley de conservación de energía.


La segunda ley de la termodinámica y máquinas del segundo tipo

En 1850, Rudolf Clausius propuso la segunda ley de la termodinámica: “el calor no puede por sí solo pasar de una fuente fría a una caliente”.  Aunque uno jamás haya estudiado termodinámica, sabe que el calor sólo fluye de zonas calientes a zonas frías.  La segunda ley es, quizá, la más intuitiva y la más conocida de las leyes de la física.  Algunos años después, Kelvin y Planck propusieron un enunciado que, aunque no lo parezca, es equivalente al de Clausius: “es imposible que una máquina alimentada con cierta cantidad de calor produzca una cantidad igual de trabajo”.  Decir que ambos enunciados son equivalentes significa que si el de Clausius es verdadero entonces también es verdadero el de Kelvin y Planck, y, al revés, si el de Kelvin y Planck es verdadero entonces también lo es el de Clausius.  La demostración de la equivalencia no es complicada y puede encontrarse en cualquier libro de física en el que haya un capítulo dedicado a la termodinámica.  Al hablar de “máquina”, el enunciado de Kelvin y Planck se refiere a un dispositivo que funcione en forma cíclica, o sea, luego de un ciclo el sistema vuelve a su situación inicial.  Una máquina térmica tiene una zona caliente, donde se quema el combustible, por ejemplo el pistón del motor de un auto, y una zona fría donde se desperdicia parte de calor (el radiador).  Lo que dicen Kelvin y Planck es que en el radiador siempre se desperdicia parte de la energía térmica que se genera en la combustión, y que el trabajo útil, lo que hace que el auto se mueva, será menor que la cantidad de energía consumida. 

En principio parece que hubiera una posibilidad de salir de este juego.  Se puede demostrar que, si el radiador está lo más frío posible, entonces toda la energía térmica se podría transformar en trabajo útil, y la eficiencia sería igual a 1.  ¿Qué significa lo más frío posible?  Significa 273oC bajo cero, esta temperatura también es llamada cero absoluto.  Nada puede estar más frío que eso, pues a esa temperatura cesa el movimiento desordenado a nivel microscópico del que se habló más arriba.  Aquí es donde entra la tercera ley de la termodinámica, que dice justamente que no se puede alcanzar el cero absoluto.  Un objeto puede estar muy frío, pero su temperatura nunca puede ser igual al cero absoluto, aunque pueda acercarse mucho.  En conclusión, no se puede salir del juego, el enunciado de Kelvin y Planck es siempre válido y siempre se desperdicia algo de calor en el radiador.

La segunda ley posee una cualidad que la hace única entre todas las leyes fundamentales de la física.  Sólo la segunda ley distingue pasado de futuro; dice que existen fenómenos que sólo se dan hacia delante en el tiempo y es imposible que sucedan hacia atrás, como una película que se proyecta al revés.  El calor sólo puede fluir de un cuerpo caliente a uno frío, y no al revés.

Una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo respeta la primera ley de la termodinámica, pero intenta violar la segunda.  Aunque es menos ambiciosa que las máquinas anteriores, pues no pretende crear energía, de todos modos sería extraordinaria.  Permitiría, por ejemplo, que un barco tome del mar la energía que necesita para moverse.  En la Figura 9 se muestra un esquema de esta máquina.  La máquina toma calor del agua del mar y lo transforma completamente en trabajo útil: el movimiento de la hélice.  El único deshecho que produciría sería agua fría. 


Figura 9.  Violación de la segunda ley.  Esta máquina toma la energía en forma de calor del agua de mar y la transforma en movimiento de la hélice para mover un barco.  Según la segunda ley de la termodinámica, esta transformación es imposible.

Hay otra forma de ver esta violación del enunciado de Kelvin y Planck.  Lo que está haciendo esta máquina es tomar una porción de agua de mar, que se encuentra a cierta temperatura, y decir a las moléculas de H
2O: “basta de movimiento desordenado a nivel microscópico, a partir de ahora se mueven todas en la misma dirección en forma ordenada.”  Este movimiento ordenado se podría transmitir mediante paletas a un eje que movería la hélice del barco.  La máquina, al transformar el movimiento del agua de desordenado a ordenado estaría bajando su entropía, la magnitud física con la cual se mide el desorden.  Una tercera forma de expresar la segunda ley es diciendo que la entropía en un sistema aislado (como esta máquina) sólo puede aumentar o mantenerse constante, pero nunca disminuir.

Las máquinas de movimiento perpetuo del segundo tipo han sido propuestas, en general, con el objetivo de poner a prueba la segunda ley.  Todos estos intentos han fracasado y la segunda ley mantiene su carácter de tal sobreviviendo incluso, como se dijo antes, a las revoluciones de la relatividad y la mecánica cuántica.

Las leyes de la termodinámica pueden resumirse de la siguiente manera:

1. No se puede ganar (como la energía se conserva, no se puede obtener algo de nada).

2. No se puede empatar (la cantidad de trabajo que produce una máquina no puede ser igual a la cantidad de energía que consume).

3. No se puede salir del juego (el cero absoluto es inalcanzable).


Conclusión

Las leyes de la termodinámica están tan bien establecidas como la ley de gravedad.  Uno puede tener la esperanza de construir una máquina de movimiento perpetuo.  Del mismo modo, uno puede arrojarse desde un décimo piso y tener la esperanza de no caer y violar la ley de gravedad.  Las probabilidades de éxito son las mismas.



Bibliografía

Martin Gardner, La Nueva Era, Alianza Editorial, Madrid, 1990.

Fernando Salvador, El movimiento continuo, revista Física, nros. 3 al 12, Buenos Aires, 1986-1989.

Friedrich Klemm, Perpetuum mobile: Ein unmöglicher Menschheitstraum, Harenberg Kommunikation, Dortmund, 1983.

John Sladek, The New Apocrypha, a guide to strange sciences and occult beliefs, Granada Publishing Ltd., 1978.

Randal Woods, Perpetual Motion Machines
http://commons.bcit.ca/physics/rjw/pmm/text/contents.htm

Eric's History of Perpetual Motion and Free Energy Machines, 
http://www.syc.org/e/dennis4.html

Hans Peter Gramatke, http://www.hp-gramatke.net/perpetuum/index.htm

Donald E. Simanek, http://www.lhup.edu/~dsimanek/museum/unwork.htm

Fernando Salvador, La Utopía es parte de la Realidad,
http://www.geocities.com/librosmaravillosos/tecnica/perpetuum/utopia/utopia.html

 
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales | Dean Funes 3350 3er nivel | Complejo Universitario