水飲み鳥はやっぱり第２種永久機関？

質問

下記のＵＲＬ（動画）を見て驚きました。これは紛れもなく永久機関なのではないかと思いました。空気と水の温度差とかで動く通常の熱機関であり、そのエネルギーは太陽から来たエネルギーであると別のサイトで見ましたが、私は全体を断熱性の大きな箱で囲って水蒸気が天井で冷やされてまたコップに戻る様になっているシステムを考えました。
水量ははつねに保たれその温度も気体よりも常に低く保たれ、外からのエネルギー補充なしに動き続けるのではないかと思いました。箱の壁は極端に熱伝導率に優れた材料でコップの水に接していると考えてください。こうするとコップの水の温度と天井・壁の温度は同じになります。かなり真剣に考えても判りませんでした。やっぱり永久機関ですかねえ？

http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0280/contents/cont/051200.html

回答No.8

htms42 · ベストアンサー

＃６、＃７です。

＃６の補足に書かれていることについてです。

＞上昇した湿度を持つ空気は温度の下がった天井に当たり十分な熱交換により水分の一部がが凝縮して水滴となり壁を伝わって再びコップの水に戻るでしょう。このとき放出する潜熱で水滴が暖められその熱は瞬時にコップの水に伝わります。この熱量は蒸発のときに奪った熱量より小さいと思います。また熱を吸って後上昇中の水蒸気も存在するため水温は初期値に戻ることはありえないと思われます。つまり気体の温度より水温は水蒸気を含む分だけ常に低いということになります。

私はコップの水が蒸発して壁で凝縮するということが継続的に起こるためには壁の温度がコップの水の温度よりも低いことが必要であると書きました。壁の温度が水温と同じであれば水面近くと壁面近くの飽和蒸気圧が同じになりますので水蒸気の流れは起こりません。飽和が実現してしまえばそれで終わりです。

＞箱の壁は極端に熱伝導率に優れた材料でコップの水に接していると考えてください。

この仕組みは温度差を生じなくさせるものです。どうやって温度差を実現するのでしょうか。
＞このとき放出する潜熱で水滴が暖められその熱は瞬時にコップの水に伝わります。

壁の方が温度が低いからこそ壁の上での凝縮が起こるのですから壁の上に放出された潜熱がコップに伝わるというのは熱が温度の低い方から高い方に伝わるという自然には起こらない変化を想定している事になります。
第二種の永久機関はエネルギー保存則は満たしている範囲での永久機関です。それがありえないということから熱力学の第二法則が確立されたのです。それはエネルギーの流れの方向に関する法則です。
「熱が温度の低い方から高い方に自然に移動することはない」
というものです。

＃６に「温度差を維持するためには外部が必要である」と書きました。
エーテルの循環に必要な温度差を実現するための外部は水と空気です。腹の部分の液溜は空気で温められます。くちばしの部分は水で冷やされています（水で冷やされるというのは気化熱を奪われるという意味です）。水の循環に必要な温度差を実現するためにやはり外部が必要になります。完全な閉鎖系では外部が存在しません。温度が一定になれば循環は生じません。水の蒸発がなくなればエーテルの循環も生じません。

最近売っているものは内部構造が見えるようになっていますが以前は見えませんでした。アインシュタインが不思議がって壊して中の構造を見たがったという話が伝わっています。
１つ買って透明なポリのコンテナーボックスの中に入れてやって見られたらいかがですか。密閉できます。中を見ることが出来ます。熱伝導はあまりよくありません。初期状態としては全体が室温と同じになっていると考えられます。首を振らしてからフタを閉めます。首振りはどれくらい続くでしょうか。

参考
ｗｉｋｉで永久機関を引くと第二種永久機関のところに「永久機関のように見える装置・現象」として水飲み鳥の例が示されています。読んでみましたがエーテルの循環の仕組みの説明が誤っていると思います。「エーテルがガラス管の中を上っていく」と書いてあるところです。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%B8%E4%B9%85%E6%A9%9F%E9%96%A2

カルノーサイクルと書かれている回答がありますが違うと思います。気体の膨張・圧縮というプロセスとそれに伴う仕事は利用していません。
どちらかというと水力発電でのエネルギー循環に似ています。
地表の水が太陽の熱により蒸発します。それはが上空で冷やされて雨となって落下します。この水を集めて高い所から落下させ発電機を回しているのです。水の循環で太陽からの熱エネルギーが水の位置エネルギーに変わっています。上空での潜熱の放出は地表の熱を上空に運ぶメカニズムの１つです。

お礼

たびたびのご回答ありがとうございました。私の質問に沿って丁寧なご回答を感謝申し上げます。

＞この仕組みは温度差を生じなくさせるものです。どうやって温度差を実現するのでしょうか。

ここで言われている温度差とは壁と水温のことでしょうか。であれば同じ温度です。私の言っている温度差とは蒸気の温度と水の温度の差です。閉鎖系のことですから拡散が生じてすぐに均一の温度になるというのが一般的な答えであることは理解したうえでの質問です。重力という外場がかかってかつ初期条件として水と乾燥空気に温度差を与えた問題です。摩擦のない車輪の例でお話しましたが車輪の回転を止めるには
摩擦によるエネルギー損失が必要です。この摩擦に対応するものは考えているシステムでは何に当たるのか知りたかったのです。

＞私はコップの水が蒸発して壁で凝縮するということが継続的に起こるためには壁の温度がコップの水の温度よりも低いことが必要であると書きました。壁の温度が水温と同じであれば水面近くと壁面近くの飽和蒸気圧が同じになりますので水蒸気の流れは起こりません。飽和が実現してしまえばそれで終わりです。

ご指摘の通りの定常状態が安定であることは十分理解した上での質問です。私は水面から湿度を持つ空気が上昇するにつれて水温はどんどん降下していきます。そして天井に到達した時から逆に水温は上昇を始めると思っています。壁の温度が連動して時間的に変化しますから最下部の飽和水蒸気と上昇途中の飽和水蒸気と天井に到達して引き返す水蒸気圧は互いに異なるのではないかと考えています。水蒸気の上昇速度に比べて拡散の速度が速くたちまち均一な状態になるとご指摘があるのではないかと想像します。

しかしhtms42様が例で述べられた様に地球規模ぐらいのスケールでの話だとすればいかがでしょうか。初期条件を与えると大きな対流が生じ水の循環も伴います。そこでは天井に到達して温度が下がり湿度を少し失った空気は続いて上昇してくる水蒸気よりも重く上下の場所が入れ替わることになるでしょう。

お約束ですのでここでいったん回答を締め切らせていただきます。
別のタイトルで再度質問させて頂きます。その時には再度よろしくお願いいたします。

回答No.7

htms42

閉鎖系で考えます。
蒸発、凝縮による物質の循環が２ヶ所で起こる事になります。
大きい閉鎖系の中では水が循環します。小さい閉鎖系の中ではエーテルが循環します。
エーテルの循環に温度差が必要であったのと同じ理由で水の理由にも温度差が必要なのです。

お考えのように壁とコップとが熱的に一体と考えられるような状況で水の循環が可能であればエーテルの循環もくちばしからの水の蒸発なしで可能になるはずです。水のみ鳥だけでコップの水はいらないことになります。全体はガラスで一体になっていますから液溜め部分と頭の部分は熱的に一体です。

蒸発の初期の対流は飽和が実現する途中で起こるだろうと思われるプロセスの１つです。今は飽和してしまった後の話をしているのですから当てはまりません。いつまでたっても飽和が実現しないというためには温度差が維持されていなければいけないというのが私が書いたことです。
温度差があればコップまたはくちばしからの蒸発と壁での凝縮という現象の違いが起こるのです。
壁の表面で凝縮が起これば壁の表面に液体の水が存在することになります。凝縮が起こったのですからその水に接している空間の水蒸気は飽和に達しています。ここでさらに凝縮が続いて起こるためには壁の付近での飽和水蒸気圧よりも高い圧力の水蒸気が供給されないといけないのです。これは壁よりも温度の高いところに水蒸気の発生源がある場合しかありえません。
壁とコップ（したがって水）が同じ温度であれば飽和に達して循環は止まります。
蒸発、凝縮には熱の移動が伴います。初期に温度差を設定してもこの熱の運搬で設定した温度差が徐々に解消されていきます。温度差を維持する仕組みが別に必要です。これは外部との接続なしには出来ないことです。閉鎖系では温度差は消失します。

元に戻ります。
温度差のない閉鎖系で水の循環が続くことは不可能です。
それが可能であれば水のみ鳥単独でもエーテルの循環が可能になります。何故くちばしを水で冷やすということが必要だったのでしょう。
水のみ鳥はエーテルの循環と水の循環が二重構造になっています。

回答No.6

htms42

仕組みに対する説明が私の理解と違っています。

空気と水の温度差は必ずしも必要はありません。
室内に放置してあるコップの中の水と部屋の中の空気は同じ温度になっているとしてかまわないはずです。違っていなければいけないとすれば部屋の中のデコレーションには使えません。

温度差は水のみ鳥の内部でのエーテルの循環について必要なのです。腹の部分にあるエーテルが気化して上で冷やされます。液体に戻ったエーテルが腹の部分に戻らずにガラス管の中に溜まります。径が小さいので重心がどんどん高くなっていきます。重心が回転の支点を越えた所でひっくり返るのでガラス管の中のエーテルが流れ出してしまいもとの腹の液溜に戻ります。そのときくちばしが水に浸かります。

温度差は水と空気の間にあるのではありません。
水のみ鳥の腹の部分とくちばしの部分にあるのです。くちばしの部分の温度が低くなるのは水の気化によるものです。気化が起こりさえすれば水の温度は空気と同じでかまわないのです。くちばしにはフェルト状のものが貼り付けてあります。保水性を良くするのと蒸発を促進するのとの２つが目的です。
液溜めの中のエーテルは外部の空気で温められます。この時の熱がエーテルの気化熱の供給源です。
水の蒸発がポイントですから空気中が水蒸気で飽和されていないということが条件になります。狭い容器の中に全体が入っていれば水蒸気が飽和してしまいますから水の蒸発は止まります。くちばしをぬらしても乾かなくなります。気化熱が奪われるということが起こらなければくちばし部分の温度が低くなりません。水のみ鳥の内部での温度差がなくなればエーテルの蒸発も止まります。すぐに飽和してしまうからです。温度差がなければエーテルの循環は起こりません。飽和蒸気圧は温度によって異なリます。温度の高い方が飽和蒸気圧は高いです。温度の高い方で蒸発が起こり低い方で凝縮が起こります。これで循環が成立します。

外部からの熱は水の気化熱とエーテルの気化熱として使われています。凝縮したエーテルが高い所に溜まりますから位置エネルギーに変換されていると考えることも出来ます。水のみ鳥の運動エネルギーはこの位置エネルギーから出てきたものだということができるでしょう。
ます。

水の蒸発が持続するためには水蒸気が飽和しないようにする必要があります。開放形になっていれば水、空気は同じ温度でかまわないのです。密閉容器の中にあるという場合であれば壁の部分とコップの水の部分に温度差が必要です。水のみ鳥のくちばしで蒸発し、壁で凝縮が起こります。これで水の循環が起こります。温度差がなければ実現しません。飽和すれば終わりです。
この温度差は外部からからの冷却がなければ持続しません。容器の外部が断熱壁であれば温度差は消滅します。水の蒸発も、エーテルの蒸発も止まります。壁への熱の運搬はこの温度差が解消される仕組みとして考えられるものです。

※水のみ鳥の内部にある揮発性の液体が本当は何なのか知りません。「エーテル」と書きましたが確めた訳ではありません。短時間にかなりの液量の移動が起こらなければいけませんので「エーテルのような液体」であるということは確かだろうと思います。

補足

ご専門の方に問題を丁寧に整理して頂いたと感じました。詳細にわたってのご説明に感謝申し上げます。ありがとうございました。

鳥の中のエーテルの温度分布による動きが私の補足説明が悪く、いつの間にかコップの水の蒸発と空気との温度差の話に置き換わってしまっていたことは認めます。鳥のくちばしの水が蒸発するかどうかがポイントですね。ご指摘ありがとうございました。しかし容器の断熱状態で飽和水蒸気になぜなるのかがやはり理解できておりません。

＞水の蒸発が持続するためには水蒸気が飽和しないようにする必要があります。開放形になっていれば水、空気は同じ温度でかまわないのです。密閉容器の中にあるという場合であれば壁の部分とコップの水の部分に温度差が必要です。水のみ鳥のくちばしで蒸発し、壁で凝縮が起こります。これで水の循環が起こります。温度差がなければ実現しません。飽和すれば終わりです。

解放系であれば全然問題なく動作が継続することは良く理解できます。
壁とコップの水を高い熱伝導材料を用いて同じ温度にしたとき水の蒸発が継続するのではないかと考えて質問させて頂いたのです。水鳥そのものの存在を離れてまず考えます。

空気が飽和状態であり、かつ空気の温度が水と同じとします。このときは水蒸気に何の動きもなくまさに安定した死の状態が得られます。これは摩擦のない車輪が止まっている状態に対応するのではないかと考えます。しかしもし初期状態として車輪に初速度を与えてやれば永久運動を起こすでしょう。

同じ考え方でこの系に乾燥した空気を初期条件として与えたとします。空気の温度と水の温度は互いに等しいと仮にします。このときの動きを
考えてみます。まず水面からどんどん蒸発が始まるでしょう。そうすると水の温度は下がり瞬時にその温度は壁面に伝わるでしょう。つまり水蒸気が天井に到達するまでに温度は初期状態から下がっているのです。
（尤も壁の比熱は極端に小さいという熱力学的に許されるかどうか解らない仮定を付け加えねばなりませんが）一方水蒸気を吸った気体は元の乾燥空気より軽くなりますから上昇が始まります。上部にある乾燥空気は壁と不完全な相互作用を行い少し温度を下げ重くなりながら下方へ移動します。いわゆる対流が始まります。

上昇した湿度を持つ空気は温度の下がった天井に当たり十分な熱交換により水分の一部がが凝縮して水滴となり壁を伝わって再びコップの水に戻るでしょう。このとき放出する潜熱で水滴が暖められその熱は瞬時にコップの水に伝わります。この熱量は蒸発のときに奪った熱量より小さいと思います。また熱を吸って後上昇中の水蒸気も存在するため水温は初期値に戻ることはありえないと思われます。つまり気体の温度より水温は水蒸気を含む分だけ常に低いということになります。

もちろんここには吸った水分の一部しか戻していないという事実があります。この空気が再び下降して水面で水蒸気を僅かですが吸収してやはり僅かですが水温を下げることになります。この僅かな水面における水分の吸収と天井での水分の凝縮による放出は止まらないのではないでしょうか。つまり空気の対流と水の循環は摩擦のない車輪のように回り続けているのではないでしょうか。この話は水飲み鳥とあんまり関係ありませんね。スミマセン。しかしこの循環する空気が飽和水蒸気状態でなければ水鳥は永久に動くのではないでしょうか。

ご専門の立場から”この回転が止まる方向に動く”ということに関してもう一度ご指導頂ければと思います。それでこの質問は一旦打ち切りたいと思います。どうかよろしくお願い申し上げます。

回答No.5

debukuro

温度差が無ければ熱が移動しないと思います
まったく傾斜の無い水槽に水を入れておいても水は流れないのと同じです
初期には温度差があってもやがて熱平衡に達して熱の移動は止まります
密閉した空間なら上部の空気の温度が高くなって熱は下には下りてきません

補足

簡潔で明瞭なご回答ありがとうございました。

＞温度差が無ければ熱が移動しないと思います。まったく傾斜の無い水槽に水を入れておいても水は流れないのと同じです。

これはニュートン冷却の法則そのものであり良く理解できます。しかし
熱を持つ媒質そのもの（質量を持つ）に力学的力が加わった場合はそうとは言えないと考えます。水槽の水をイオン化して電場をかける場合なんかはそれにあたると思います。この場合重力がその役割をはたしているのではありませんか？

＞初期には温度差があってもやがて熱平衡に達して熱の移動は止まります。

この考えも一般的には良く理解しているつもりです。外力が無いことがこの場合も前提です。例えばこのシステムの場合蒸発した水の表面近傍の空気は湿度を多く含み比重は乾燥空気よりも小さく軽くなります。
したがって重力の影響により上下の空気が入れ替わる方向に動くと考えられませんか？

＞密閉した空間なら上部の空気の温度が高くなって熱は下には下りてきません。

温度の高い空気が上昇するのは比重の差のためですね。今考えているシステムは湿度を含む空気が少し温度の低い天井に接触して飽和水蒸気圧が下がり凝縮し、その時潜熱が放出されますがその潜熱はただちに下にある水槽に戻される仕掛けになっています。そのため熱伝導率の高い壁を用意しているのです。言い換えれば上部の熱は下に降りてきているのではないでしょうか？　湿度を含みかつ水と少し温度差のある空気が前提になっていることは認めます。従って温度差を持ち続けるのだろうかというのが私の質問のポイントかも知れません。再度ご検討いただき、もう一度ご回答頂ければ幸いです。

回答No.4

Tacosan

水蒸気が天井や壁で凝結するときに, 持っている潜熱が壁 (や天井: 以下略) に移ります. ところが, この壁は非常に熱伝導性が高く, しかもコップの水に接しているため, 壁に移ったエネルギーの一部はコップの水に移動することになります.
この, 「コップに移動したエネルギー」はもともと空気が持っていたものですから, この過程で空気の持っていたエネルギーの一部が水に移動したことになります.
あとちょっと気になったのは「ある部分では蒸発が支配的であり、ある部分では凝縮が支配的」というところ. つまり, 「蒸発が支配的」な部分では空気の持っているエネルギーが蒸発熱として奪われることになります. そして, 「蒸発が支配的な部分」というのは (普通は) 水面に接する部分ですから, エネルギーが奪われることによって蒸発しにくくなると思います.

補足

深夜にご回答ありがとうございます。お礼申しあげます。

＞しかもコップの水に接しているため, 壁に移ったエネルギーの一部はコップの水に移動することになります.

ご指摘のとおり熱エネルギーが循環していると感じています。断熱壁で覆われた空間内で決して新たに熱エネルギーが生まれてくるとは申しておりません。良いご指摘をありがとうございます。

＞「蒸発が支配的な部分」というのは (普通は) 水面に接する部分ですから, エネルギーが奪われることによって蒸発しにくくなると思います.

熱エネルギーが奪われるため水温が下がり・・・蒸発しにくくなるという意味ですね。同感です。蒸発しにくくなりますが、蒸発しないわけではありません。蒸発した水蒸気を含む水面付近の空気は軽くなり、上昇します。そこで温度の下がった壁・天井にぶつかり熱エネルギーを再放出すると考えています。つまりこの閉鎖系のサイクルは”力学系の運動エネルギーが摩擦で失われ最後には止まる”という風にはならず永久運動を続けるのではと考えているのです。

この安定した温度差を利用した水飲み鳥であれば第二種の永久機関といっても良いのではないでしょうか？
再度お考えをお聞かせいただければ幸せです。

回答No.3

Tacosan

えぇと, システムが
・全体は断熱性の箱で囲われている
・その中に熱伝導率の高い箱がある
・その箱の中に水飲み鳥がいる
ということかな? この場合, 確かに「天井や壁の温度」は水の温度と等しくなりますが, 「天井や壁で水蒸気が水に戻る」ときにその持っているエネルギーの一部が天井や壁に移ります. つまり, 全体として空気と水の温度差は小さくなるはずです.

補足

ご回答ありがとうございました。大変正確にシステムをご理解いただいています。
＞持っているエネルギーの一部が天井や壁に移ります。
潜熱がそのまま凝縮によって壁に放出されるということです。この熱量
は多分蒸発したときにコップの水から奪った熱量と等しいと思います。
＞全体として空気と水の温度差は小さくなるはずです。
この部分が良くわかりません。液体と気体の平衡状態ではないわけですから温度が違っても良いのではと思っています。
また小さくても差があるかないかが重要ではないでしょうか。
全体としては蒸発と凝縮は同じ量ですが場所が異なりある部分では蒸発が支配的であり、ある部分では凝縮が支配的なのではないでしょうか？再度のコメントよろしくお願いします。

回答No.2

kt1965

完全なる永久機関は、熱力学（統計力学）によって否定されているのですが、敢えて答えておきます。

水のみ鳥の場合、水を飲んでいるのではなく、内部にある低温の沸点を持つ液体が蒸発するとき、内部の気圧が高まり、液体が上に移動することで重心が上に変わり、頭が下がります。そして、水によって低温の沸点を持つ液体が冷やされ、再び液体化して下のタンクにたまります。それによって、重心が下に下がり、頭が上がります。

この時、与えられた熱全てが仕事に変わっているのではないのです。その証拠として、コップの水温が少しだけ上がっただけで、仕事をしなくなります。もしも、永久機関だとすれば、コップの温度が完全に室内の温度に近くなっても僅かに動きます。しかしながら、有る程度の温度差が無いと動きません。

よって、水のみ鳥の場合には、ある一定の温度差の条件によって動いているカルノーサイクルの熱機関と同じなのです。

補足

早速のご回答ありがとうございました。
水面からの蒸発が常に生じていることが水の温度を下げる必要条件であることは理解しているつもりです。その温度差が永久に得られたとし、かつその温度差を利用した熱機関ができるとすればそれは全体として永久機関と呼んでも良いのではないかと思います。したがって私の質問の本質は提案した具体的な構造を持つ閉じた系で温度差が常に得られるかという命題に帰着するのではないかと思います。再度のコメントよろしくお願い申し上げます。

回答No.1

macchan2

実際に水飲み鳥に透明の囲いでフタをする実験を放送大学で見たことがあります。
水の冷たさと、囲いの中の空気の暖かさの差で水飲み鳥はしばらく動き続けます。
しかし、これは(囲いの中の)空気の熱が冷たい水に移動するときの運動でしかありません。だから、しばらくすると水が温まり、空気が水で冷えて同じ温度となります。
すると、中の熱の移動はなくなり、水飲み鳥は止まりました。

たとえ透明の囲いを外しても、コップの中の水と外の空気はいずれ同じ温度となり、鳥は止まります。
同じ温度となったのに、また空気か水のどちらかが、もし温まったら動きます。

もちろんこれはエネルギーが外部から注入された事です。つまり永久機関になりません。

補足

ご専門の方の目にとまり幸いです。回答を拝見する順序が＃２の方と逆になってしまったようです。お答頂いた実験では蒸発が平衡状態となり
ストップしてしまったのではないでしょうか。透明の囲いの温度が高く
再び液体の水に戻らず飽和してしまった結果であると（勝手に）想像
しました。そのため壁で再び液化する工夫を提案したわけです。

＞たとえ透明の囲いを外しても、コップの中の水と外の空気はいずれ同じ温度となり、鳥は止まります。
空気がある程度乾燥していれば常に蒸発が起きるため温度差ができるのではないでしょうか？それともコップの背が高くて横から熱がどんどん入って同じ温度になるかも知れませんね。でもこれは本質ではなく防ぐことはできると思います。
ご専門の立場から再度のコメント頂ければ幸いです。