¿Máquinas de movimiento perpetuo? ¿Energía gratis? Va a ser que no...

Desde que el hombre empezó a fabricar máquinas o dispositivos para ser utilizados en la realización de algún trabajo, la idea de diseñar artilugios que los hicieran funcionar sin la necesidad de la fuerza muscular humana o de los animales fue muy atractiva. Desde entonces, la historia de la ciencia y del desarrollo tecnológico están plagados de infinidad de intentos de creación de móviles perpetuos: máquinas capaces de funcionar eternamente sólo a partir de un impulso inicial, produciendo un movimiento continuo en el tiempo sin necesidad de aporte de energía externa adicional. La cuestión no es menor, pues si se consiguiese construir este tipo de máquinas, se pondría fin al grave problema energético al que nos enfrentamos. Máquinas funcionando sin consumo energético: coches sin combustible, electricidad gratis… ¿te imaginas la increíble revolución que supondría este hecho?.

Seguro que has visto por internet alguna teoría sobre como las grandes multinacionales de la energía, petroleras y compañías eléctricas, compran, tapan la boca o incluso hacen desaparecer misteriosamente a grandes “científicos altruistas” que han diseñado máquinas de movimiento perpetuo o de producción de energía “gratis”. Pues va a ser que no. Por muy “malvadas” que puedan ser estas compañías no necesitan hacer nada de esto. Y no lo necesitan por una sencilla razón: el móvil perpetuo es físicamente imposible.

En esta entrada explicaremos los distintos tipos de móviles perpetuos que a lo largo  de la historia se han afanado en construir y mostraremos como las leyes de la naturaleza nos indican la absoluta imposibilidad de que tal quimera pueda hacerse realidad. Vamos allá.

Hay dos grandes grupos de móviles perpetuos, dependiendo de la ley que imposibilita su funcionamiento tal como veremos más adelante. Así, nos encontramos con móviles perpetuos de primera y de segunda especie. A continuación comenzaremos con los primeros, pero antes me gustaría anotar una cuestión: no debemos prejuzgar a los inventores de la época respecto a la búsqueda del móvil perpetuo. Cualquier estudiante de secundaria conoce, o debería conocer bien las leyes que imposibilitan su existencia (como digo, las veremos más adelante), pero hay que tener en cuenta que estas leyes no eran para nada conocidas en esa época. Es más, tenemos que agradecer el arduo trabajo de los científicos e inventores en la búsqueda de estos dispositivos, pues gracias a él, entre otros motivos, se consiguieron grandes avances en la mecánica-física y posteriormente en la termodinámica. Además, muchos de los científicos se afanaban en diseñar estos artilugios como ejercicio para comprender y poder establecer las causas por las que no podían funcionar. Por supuesto, como en todo, también había y sigue habiendo farsantes que diseñaban sus artilugios con algún “truco” (como no podía ser de otra manera) para engañar a la gente e intentar lucrarse. Tras este pequeño paréntesis, vamos ya con los dos tipos de móviles perpetuos.

Móviles perpetuos de primera especie:

Como hemos indicado estos dispositivos sólo necesitarían un impulso inicial para comenzar su movimiento y permanecerían así durante el tiempo deseado. Dentro de los móviles perpetuos de primera especie podemos encontrar de varios tipos: mecánicos, magnéticos e hidráulicos. Veámoslos con algunos ejemplos:

Fig. 1. Móvil perpetuo de Villard D’Honnecourt. Siglo XIII. El número de pesas de la rueda es impar, por lo que siempre habrá un lado de la rueda con mayor número de pesas, lo que obligararía a ésta a girar indefinidamente.

Fig. 2. Móvil perpetuo de Mariano Di Yacopo Siglo XV. Al igual que el ejemplo

anterior, a un lado de la rueda siempre habrá más peso que en el otro.

No entraremos aquí en los detalles acerca de la imposibilidad de funcionamiento perpetuo de cada máquina mecánica en concreto, simplemente diremos que en todos ellos, un análisis de las fuerzas que actúan debido a los diferentes pesos, pone de manifiesto que los momentos de las fuerzas (magnitudes con las que podemos establecer si un cuerpo está en equilibrio o no) acaban anulándose entre sí, por lo que el dispositivo acaba en equilibrio, deteniéndose así su movimiento. Móviles como los de los ejemplos y muchísimos otros eran diseñados por científicos de la época y rebatidos por otros.

Fig. 3. Móvil perpetuo magnético descrito en un libro de J. Wilkins en el siglo XVII. La bola es atraída por el imán por la rampa A, cuando llega arriba cae por el orificio volviendo a la posición de partida y comenzando así un nuevo ciclo. Fue el propio Wilkins quién argumentó la inconsistencia del invento, pues si el imán tiene la suficiente fuerza para atraer a la bola y hacer que suba la rampa, con más motivo tendría también la fuerza (pues estaría mucho más cerca) de impedir que la bola cayese por el orificio.

Fig. 4. Móvil perpetuo hidráulico “tipo”. En el mismo, el agua que cae en el punto “F” hace mover la rueda dentada, la cual mueve a su vez el tornillo que eleva agua al puno “I”, volviendo al punto de partida. 

La cuestión es que valiéndose de análisis de leyes particulares, de los momentos de fuerzas y del equilibrio de los cuerpos, se demostraba la incapacidad de producir trabajo en cada uno de los móviles perpetuos diseñados. Ahora bien, los partidarios de estos mecanismos siempre podían objetar: “Vale, éste no funciona, ¡pero ya inventaré otro que funcione!”. Sólamente una ley general aplicable a todos los casos sería capaz de desterrar la idea del móvil perpetuo. Y la ley llegó en el siglo XIX: hablamos de la Primera Ley de la Termodinámica: “el Principio de Conservación de la Energía”. Cuando ésta se confirmó puso fin a la posibilidad de existencia del móvil perpetuo de primera especie. Pero ni el establecimiento de esta ley fue capaz de parar los intentos de conseguir diseñar el móvil perpetuo.

El principio de conservación de la energía es bien conocido por todos, seguro que lo has escuchado infinidad de veces de esta manera: la energía no se crea ni se destruye, únicamente se transforma de unas formas en otras. En resumen, podríamos decir que todos los móviles perpetuos de primera especie producen un trabajo (una energía) sin necesidad de aporte exterior de otra energía, es decir, generan energía de la nada, lo que viola claramente la ley de la conservación de la energía. De esta manera, tras la comprobación de la ley no resulta necesario analizar los dispositivos uno a uno detalladamente, sólo necesitamos determinar la cantidad de energía suministrada al dispositivo y la cantidad de energía que sale del mismo, y si sale más de la que entra, la discusión ha terminado: el móvil perpetuo de primera especie es imposible. Volviendo a los ejemplos anteriores, resulta evidente que la energía que entra a los dispositivos (p.e. el impulso inicial para que comiencen su movimiento) es menor que la energía que sale del mismo (p.e. las pérdidas por transferencia de calor con el medio debido al rozamiento de las partes móviles en contacto o el trabajo que realiza si unimos el dispositivo a alguna otra máquina para hacer que esta última funcione). Por tanto, este tipo de dispositivos están claramente prohibidos por la ley de conservación de la energía. Sigamos con el segundo grupo de móviles perpetuos.

Móviles perpetuos de segunda especie:

A continuación hablaremos sobre el segundo gran grupo de móviles perpetuos, un tipo de dispositivos algo más sofisticados que surgieron tras la comprobación de la imposibilidad de existencia de los anteriores: los móviles perpetuos de segunda especie. Como ves, los científicos siempre han tenido un gran ingenio a la hora de poner nombres a las cosas...

Los móviles perpetuos de segunda especie surgieron tras el desarrollo de las máquinas térmicas durante el siglo XIX. Las máquinas térmicas transforman energía térmica en trabajo mecánico. Ejemplo de ellas es por ejemplo la máquina de vapor, donde se transforma energía térmica del agua en trabajo mecánico (una pequeña parte del calor se transforma en trabajo).

Antes de continuar tenemos que hacer una diferenciación entre estas dos formas de transmisión de energía: calor y trabajo. Mientras que en la transferencia de calor las partículas se mueven de una manera desorganizada, caótica; cuando se realiza un trabajo, la transmisión de energía se produce de una forma más organizada. Un poco más adelante incidiremos en este tema, para que quede más claro. 

Pues bien, los móviles perpetuos de segunda especie se basan en una concentración de energía dispersa del medio hacia formas más organizadas de energía que puedan emplearse para producir trabajo. Para entenderlo bien expondremos el siguiente ejercicio mental:

Imagina una habitación con una inmensa cantidad de moscas: nuestro ejército de moscas. Veremos dos situaciones. En la primera, todas las moscas se mueven en la habitación mediante movimientos caóticos, desordenados, cada una a su bola. En la segunda, las moscas se ponen de acuerdo en seguir un movimiento concreto, en una misma dirección y sentido, todas al unísono, de una manera organizada. ¡Podríamos aprovechar esta situación para utilizar nuestro ejército de moscas para mover algún mecanismo!

La situación en la que las moscas vuelan de una manera desorganizada, caótica, podría corresponder con el movimiento de las partículas en una transferencia de calor; y cuando todas vuelan organizadas, al unísono, podría corresponder con la realización de un trabajo.

Resultar fácil asimilar que es muchísimo más probable que suceda la primera situación (caótica) a que suceda la segunda (ordenada).

Pues bien, los móviles perpetuos de segunda especie, salvando las distancias, lo que pretenden es que el ejército de moscas pase de la primera a la segunda situación, algo altamente improbable.

Estos móviles se basan en la concentración de energía dispersa en el medio (por  ejemplo energía debido a la velocidad de las moléculas que componen el aire en su movimiento caótico), transformándola así en otra forma de energía más concentrada, organizada, capaz de realizar un trabajo. Así, podríamos concentrar la energía térmica del medio (energía debida al movimiento caótico de las partículas), transformándola en energía capaz de producir un trabajo (por ejemplo, mover un cuerpo). Aquí no hay violación del principio de conservación de la energía, se realiza tanto trabajo como energía térmica extraída del medio. La idea es ilusionante: podríamos utilizar la energía “concentrada” en satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad, como la energía no se crea ni se destruye, tras el aprovechamiento de la energía, ésta volvería a dispersarse y luego se podría volver a concentrar, realizando así un ciclo continuo en el tiempo. Resolveríamos de un plumazo los problemas energéticos de la humanidad. Pero está claro que los problemas energéticos siguen ahí, lo que indica que los móviles perpetuos de segunda especie también son imposibles. Y la imposibilidad de su existencia es debida a la violación de otra ley fundamental: la Segunda Ley de la Termodinámica. En cierta manera ya la hemos explicado mediante el ejercicio imaginario de nuestro ejército de moscas. La segunda ley de la termodinámica nos indica básicamente que todo sistema evoluciona de tal manera que su entropía no puede disminuir. No entraremos aquí en detalles sobre el concepto de entropía (puedes profundizar más en esta entrada anterior del blog que trató sobre ésta), únicamente señalaremos que la entropía es una medida del “desorden” de un sistema. En los móviles perpetuos de segunda especie se pretende “concentrar” la energía dispersa del medio, es decir, pasar de un sistema con más desorden (mayor entropía) a un sistema más ordenado (de menor entropía), por lo que la entropía disminuiría, contradiciendo así el segundo principio de la termodinámica. Volviendo a nuestro ejemplo imaginario, lo que la segunda ley de la termodinámica nos dice es que nuestro ejército de moscas nunca evolucionará espontáneamente de la primera situación a la segunda. Dicho de otra manera, la probabilidad de encontrar nuestro ejército en la primera situación (desordenada) es espectacularmente superior a la probabilidad de que nos lo encontremos en la segunda situación (ordenada). Esto no quiere decir que a parir de calor no se pueda generar trabajo, de hecho en las máquinas térmicas se produce precisamente esto. Quiere decir que al realizar un trabajo una parte considerable de la energía se degrada en forma de calor e inevitablemente se pierde. Siempre que se realiza un trabajo debemos pagar “un peaje”, una parte de la energía que se pierde por transferencia de calor. Piensa por ejemplo en lo que sucede cuando realizamos un agujero con una taladradora: parte de la energía no se aprovecha en realizar el trabajo (el agujero) sino que se pierde en forma de calor a través de la broca y el orificio transfiriéndose al medio ambiente.

Observa el dispositivo mostrado en la viñeta del principio de post:

En el mismo, se pretende aprovechar el vapor producido en la olla a presión para generar electricidad que alimente la placa eléctrica, que produce el vapor… y así sucesivamente. La segunda ley de la termodinámica nos dice que es imposible aprovechar el 100 % de la energía, siempre habrá una fracción que se pierde por transferencia de calor con el medio, por lo que el dispositivo no podrá funcionar indefinidamente (bueno, este ni siquiera podrá empezar a funcionar, pero como ejemplo nos vale). 

Otro ejemplo que tal vez hayas escuchado es el motor que funciona a partir de agua. Pero el agua es el resultado de la combustión del hidrógeno con oxígeno, son las “cenizas” que quedan tras quemar hidrógeno. Buscar el motor de agua es como buscar un motor que funcione con cenizas. Para utilizar agua como combustible previamente tendríamos que descomponer ésta en hidrógeno y oxígeno (para volver a quemar el hidrógeno), y para ésto necesitaríamos irremediablemente aportar mayor energía que la proporcionada en la combustión del hidrógeno. A fin de cuentas, lo mires como lo mires, necesitaríamos aportar más energía de la que producimos. De obtener energía gratis nada de nada, sino todo lo contrario.

Ya hemos visto la imposibilidad física del funcionamiento de los móviles perpetuos, pero entonces, ¿cómo es posible que aún a día de hoy haya personas defiendan estas posturas? Bueno, los partidarios de los móviles de movimiento perpetuo utilizan toda una serie de argumentaciones, muchas veces pseudocientíficas, otras apelando a teorías de conspiración y otras a la atractiva idea de un mundo sin problemas energéticos y por tanto medioambientalmente más sostenible. Una de las argumentaciones que utilizan los partidarios de los móviles perpetuos y que creo que resulta interesante destacar es la siguiente:

A lo largo de la historia, la ciencia está repleta de teorías que han tenido que ser rechazadas o cambiadas tras nuevos avances o descubrimientos. Por ejemplo, antiguamente todo parecía indicar que la tierra era plana, pero posteriormente gracias al avance científico esta idea fue rechazada. Del mismo modo, ¿No podríamos descubrir en un futuro que las leyes de la termodinámica sí pueden ser violadas?

Este argumento tiene un claro error: el hecho radica en que las leyes de la física no se anulan, sino que se complementan y desarrollan, y esto es una cosa bien diferente. Las leyes de Newton fueron superadas por la leyes de la relatividad de Einstein, pero ¿significa esto que las leyes de Newton no tienen validez? Rotundamente no. Las leyes de Newton son perfectamente aplicables bajo nuestras condiciones. El principio de conservación de la energía fue también ampliado a base de la teoría de la relatividad después de descubrir la equivalencia entre la masa y la energía, mediante la famosa ecuación e = mc². Pero la conservación de la energía puede aplicarse bajo las condiciones cotidianas perfectamente sin tomar en consideración la ecuación de Einstein. Por tanto, independientemente de cómo se desarrolle la ciencia en un futuro, sus leyes no desaparecerán; dentro de su ámbito de aplicación. Si soltamos una manzana que sujetamos con nuestra mano, siempre caerá al suelo, por mucho que pueda avanzar la ciencia. La cuestión radica en un detalle fundamental: nunca existieron leyes físicas que prohibieran cualquiera de los nuevos fenómenos descritos tras un nuevo avance científico. Por ejemplo, nunca existió una ley física que impidiera que la tierra es redonda. Sin embargo, los móviles perpetuos están prohibidos por leyes fundamentales.

Para terminar, permíteme un pequeño consejo: cuando veas por internet un invento revolucionario, o un descubrimiento totalmente sorprendente (máquinas de producción de energía sin límites, remedios curativos “milagrosos”, etc), pregúntate por qué lo que estás viendo, si es tan maravilloso, no está implantado en todos los rincones del mundo. La respuesta es muy sencilla: porque se trata de un timo, de un engaño.

   

Esta entrada participa en la edición LXV del Carnaval de la Física. Blog anfitrión: Física e Química en Ribadeo