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Perpetuum Mobile

Ein Perpetuum Mobile (lat: das "ewig" oder "aus sich selbst" Bewegte) ist eine Konstruktion die, einmal in Gang gesetzt, ewig in Bewegung bleiben (und dabei unter Umständen noch Arbeit verrichten) soll. Auf Grund von fundamentalen Erkenntnissen aus der Physik weiß man seit langem, dass ein Perpetuum Mobile nicht real existieren kann; Theorien, welche die Existenz eines Perpetuum Mobile behaupten, gelten als pseudowissenschaftlich. Weil diese Tatsache auch vielen physikalischen Laien bekannt ist, benutzen die Vertreter solcher Theorien heutzutage häufig anderslautende Begriffe (z.B.: "Konverter für Freie Energie").

Ein Perpetuum Mobile (PM) bezieht sich auf ein geschlossenes System, in dem nach dem Energieerhaltungssatz keine Energie entstehen oder verschwinden kann. Dies bedeutet eine scheinbar von selbstlaufende Maschine (welche Energie produziert) wäre kein Perpetuum Mobile, weil es sich nicht um ein geschlossenes System handeln kann (aufgrund der Energieerhaltung).

Perpetua Mobilia werden nach dem thermodynamischen Hauptsatz bezeichnet, den sie verletzen (Ausnahme: PM 3. Art). Die Klassifikation gibt keinen Hinweis zum beabsichtigten Funktionsprinzip des PM.

Inhalt
1 Perpetuum Mobile erster Art
2 Perpetuum Mobile zweiter Art
3 Perpetuum Mobile dritter Art
4 Geschichte
5 Perpetuum Mobile - Beispiele
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Perpetuum Mobile erster Art

Idee: Eine Maschine mit Wirkungsgrad von 100% (oder größer) würde die zu ihrem Betrieb notwendige Energie selber liefern (z.B. ein einmal in Drehung versetzter elektrischer Generator). Eine solche Maschine verletzt den ersten Hauptsatz der Thermodynamik, den Energieerhaltungssatz, weil

jede reale Maschine aufgrund von Reibungs- und Wärmeverlusten einen Wirkungsgrad < 100% besitzt.

Beispiele

Ein Wasserrad pumpt Wasser nach oben. Dieses fließt wieder nach unten und treibt das Wasserrad an.
Eine Akkumulator bringt eine Lampe zum Leuchten. Das Licht wird in einem Fotoelement aufgefangen und erzeugt elektrischen Strom, der den Akkumulator wieder auflädt.

Meist wird dabei auch noch Nutzenergie entnommen, aber bereits der "einfache" Kreislauf ist unmöglich, da es bei jeder Bewegung bzw. Umwandlung Verluste gibt. Alle Verluste führen letztendlich zu einer Temperaturerhöhung des Teils, an dem sie entstehen, auch fotophysikalische. Da die Umgebung immer kälter ist als das verlusterzeugende Teil, fließt die Energie der Maschine durch Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung an die Umgebung ab. Die Maschine muß über kurz oder lang stehenbleiben, weil eine Rückführung aufgrund der Temperaturdifferenz von selbst nicht stattfindet (Wärme fließt nur von warm nach kalt, nicht umgekehrt).

Dazu wäre erforderlich ein

Perpetuum Mobile zweiter Art

Idee: Arbeit aus der Umgebungswärme gewinnen, also die mittels lokaler Abkühlung gewonnene Wärme vollständig in (mechanische) Arbeit zurück umsetzen. Eine solche Maschine verletzt den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, weil die Umwandlung von Arbeit in Wärme irreversibel ist, nicht aber den Energieerhaltungssatz.

Prinzipiell kann man ein Perpetuum Mobile der 2. Art daran erkennen, dass es versucht Wärme an einem Punkt aufzunehmen und in andere Energieformen umzuwandeln - das alleine muss nicht gegen die Energieerhaltung (1. Hauptsatz) verstoßen, es wären also Maschinen denkbar (aber nicht lauffähig), die unter Beachtung der Energieerhaltung Wärme in höherwertige Energieformen, z.B. Strom umwandeln.

Der 2. Hauptsatz verlangt allerdings, das Maschinen, die Wärme und Wärmestrahlung (z.B. Solarzellen) in andere Energieformen umwandeln, zwei Vorausssetzungen erfüllen müssen:

Es muss einen heißen und einen kalten Punkt geben
Eine Wärmekraftmaschine arbeitet zwischen dem heißen und dem kalten Punkt
Die Wärme fließt durch die Wärmekraftmaschine, die nun einen Teil der Wärme in höherwertige Energieformen umwandeln kann
Ein anderer Teil der Wärmeenergie wird von der Maschine an den kalten Punkt durchgeleitet

Wenn die Wärme über die Maschine nicht einen Teil an den kalten Punkt abfließen kann, dann bleibt die Maschine nach kurzer Zeit stehen. Ungünstigerweise beeinflusst die Temperaturdifferenz zwischen dem heißen und dem kalten Punkt das Verhältnis zwischen höherwertiger Energie und durchgeleiteter Wärme. Je kleiner die Temperaturdifferenz ist und je höher die Temperatur des kalten Punktes ist, um so geringer ist der Anteil der höherwertigen Energie, d.h. um so schlechter ist der Wirkungsgrad der Maschine. Der Carnotsche Wirkungsgrad liefert den theoretischen Grenzwert des Wirkungsgrades.

Beispiele

Ein Kochtopf wird erhitzt, indem ihm Wärme aus der Zimmerluft zugeführt wird, ohne dass Energie von außen aufgewendet wird.
Ein Rad dreht sich, indem ihm Antriebsenergie, gewonnen aus der Wärme des Zimmers, zugeführt wird.
Ein Kühlschrank wird betrieben, indem der Kompressor mit der Wärme aus den gekühlten Lebensmitteln angetrieben wird.

Ein Gedankenexperiment von Maxwell veranschaulicht das Perpetuum Mobile 2. Art, der Maxwellsche Dämon.

Perpetuum Mobile dritter Art

Ein Perpetuum Mobile der 3. Art schließlich leistet keinerlei Arbeit, sondern behält lediglich seine anfängliche Bewegung bzw. Energie bei, ohne sich mit der Zeit abzubremsen. Im mikroskopischen Bereich laufen solche Prozesse ständig ab, man denke z.B. an die Bewegung eines Elektrons um seinen Atomkern. In makroskopischen Dimensionen sind solche Maschinen in guter Näherung als Grenzfall ohne jegliche Reibung möglich. Beispiele für so ein "Beinahe-Perpetuum mobile" 3. Art sind etwa die Rotation von Planeten oder der Umlauf von Planeten um Sterne und reibungsminimierte Kreisel für die Navigation oder wissenschaftliche Zwecke. Auch auf Basis der Supraleitung und Suprafluidität lassen sich solche Maschinen vorstellen. Ein ideales Perpetuum mobile 3. Art ist allerdings in makroskopischen Systemen kaum möglich, da solchen Systemen die Reibung nie völlig verschwindet.

Geschichte

Erste Berichte über mechanische Perpetuum Mobiles stammen aus dem Orient. Um ca. 1150 beschreibt der indische Mathematiker Bhaskara ein Perpetuum Mobile, das aus einem Rad besteht, das quecksilbergefüllte Speichen trägt. Um 1230 ersann der französische Baumeister Villard de Honnecourt ein PM, welches aus pendelnd an einem Rad aufgehängten Hämmern bestand. In der Renaissance entwarfen DeGeorgio, Leonardo da Vinci oder Vittorio Zonca PMs, jedoch ohne praktische Ausführung. Leonardo formulierte als Erster, dass ein mechanisches PM in den Bereich der Unmöglichkeit gehört.

In der Barockzeit war das Interesse an perpetuierlichen Maschinen voll erwacht. Neben den Universalgelehrten Athanasius Kircher und Caspar Schott befassten sich viele andere mit der Theorie und gelegentlich auch der Praxis des PM. Furore machte Johann Bessler um 1715, als er ein offenbar funktionierendes PM der Öffentlichkeit vorstellte. Es handelte sich um einen Betrug, doch bis heute noch sind nicht alle Fakten geklärt. 1775 erklärte die Französische Akademie der Wissenschaften, keine Arbeiten zum Thema PM mehr anzunehmen oder zu prüfen, da eine immerwährende Bewegung ein Ding der Unmöglichkeit sei. Mit der Formulierung des Energieerhaltungssatzes durch Meyer und Clausis wurde Mitte des 19. Jahrhunderts dem PM der theoretische Boden entzogen. Die Idee des PM ist dennoch nicht tot; immer noch versuchen Erfinder, eine ewig bewegliche Maschine zu erdenken.

Perpetuum Mobile - Beispiele

Gelegentlich findet man eine Idee, die nach einem Perpetuum Mobile aussieht oder man wird (vorwiegend von Kindern) gefragt, warum denn dieses Perpetuum Mobile niemand baut. Dazu kommen Berichte insbesondere in esoterischen Zeitschriften oder Diskussionsforen. Zumeist handelt es sich dabei um theoretische Konstruktionen, die auf den ersten Blick den Anschein eines "echten" Perpetuum mobile erwecken, weil die hineingesteckte Arbeit bzw. ihr Betrag zunächst nicht als solche offensichtlich ist, etwa bei einem Elektromotor, der einen Generator antreibt, der wiederum den Elektromotor mit Strom versorgt. Bis heute hat kein vermeintliches Perpetuum mobile einer wissenschaftlichen Prüfung standgehalten, vielmehr haben alle Experimente die Richtigkeit der Hauptsätze der Thermodynamik bestätigt. Gelegentlich ist es jedoch eine hübsche Denksportaufgabe, den physikalischen Fehler in einem Perpetuum Mobile zu entdecken und nachzuweisen.

Daher ein paar Beispiele zu solchen 'Maschinen':

Mexikanische Springbohnen: Wie von Geisterhand bewegen sich diese Bohnen. Könnte man nicht deren Bewegung zur Energieerzeugung nutzen?
Lösung: In der Bohne befindet sich ein Wurm. Wenn er sich bewegt, wackelt die Bohne.
Transformator: Mit einem Transformator kann man die Spannung hochsetzen und wie man vom einstellbaren Eisenbahntrafo 'weiß' läuft dann alles schneller. Könnte man nicht eine Maschine bauen, die die Spannung einer Batterie wechselrichtet -> auf eine höhere Spannung transformiert -> wieder gleichrichtet -> damit mehrere Batterien gleichzeitig lädt?
Lösung: Beim Transformieren bleibt Strom × Spannung = Leistung konstant. Wenn also die Spannung hochtransformiert wird, sinkt gleichzeitig der Strom, die Leistung zum Laden wird also nicht mehr. Der Eisenbahntrafo hat noch einen zusätzlichen Vorteil: Unbemerkt vom Anwender kann er sich bei höherer Last auch mehr Leistung aus dem Stromnetz holen. Es sieht dann so aus, als ob alleine die höhere Spannung auch mehr Leistung bringt.
Lichtmühle: In einer Glaskugel hängt an einem Faden ein Stern mit mehreren Metallplättchen, die sich ständig drehen. Die eine Seite jeden Plättchens ist schwarz und die andere Seite weiß oder silberfarben. Kann man diesen Rotor nicht anzapfen?
Lösung: Hierbei handelt es sich um eine Lichtmühle, die durch Umgebungslicht angetrieben werden. Diese Lichtmühle ist sogar eine Wärmekraftmaschine, sie unterliegt also nicht nur den Beschränkungen des ersten, sondern in ihrem thermischen Wirkungsgrad auch der des zweiten Hauptsatzes, da die Bewegung durch Licht (=Wärmestrahlung) und Erwärmung der Plättchen verursacht wird.

perpetuum.hp-gramatke.de Weiterführender Text, Geschichte, Analysen
members.chello.at/karl.bednarik/PEMOZWAR.txt Beispiel für ein Gedankenexperiment

Der Ursprungsartikel stammt von der deutschsprachigen Wiki pedia (siehe oben: "Original Artikel & Autoren Liste").
Der Text steht unter der GNU Freie Dokumentation Lizenz.