水飲み鳥はやっぱり第２種永久機関？

質問

• 水飲み鳥はやっぱり第２種永久機関なのか？
• 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。
• 水飲み鳥は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システムで動くのではないかとの考えもある。

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。