1842
Der Arzt Julius Robert Mayer beschreibt das mechanische Wärme-äquivalent.
1848
Hermann Helmholtz formuliert das Energieerhaltungsprinzip.
1843
James Prescott Joule bestimmt nicht nur das mechanische Wärmeäquivalent, sondern auch die Äquivalente anderer Energie-formen.
ca.1880
Ludwig Boltzmann deutet Wärme als mechanisches Phänomen, das sich statistisch beschreiben lässt.
1888
Rudolf Clausius formuliert die ersten beiden Energieerhaltungssätze in ihrer noch heute gültigen und verwendeten Form.
ca.1910
Walther Nernst formuliert den dritten Energieerhaltungssatz.
Wie bereits gesagt, waren alle diese Gelehrten entweder direkt mit einem Perpetuum Mobile beschäftigt oder leiteten ihre Überlegungen indirekt von einem Perpetuum Mobile her.
Das erstaunliche hierbei ist, dass eben die drei besagten Energie-erhaltungssätze, bei ihrer unabdingbaren Richtigkeit, ein Perpetuum Mobile absolut unmöglich machen!
Was für ein Widerspruch in sich und aus sich selbst heraus!
Nun muß diese Tatsache ja eigentlich nichts schlechtes sein, wenn denn die sozusagen versehentlich gefundenen drei Energie-erhaltungssätze stimmen, da ja schon oft in der Wissenschaft „aus Versehen“ die bedeutendsten Entdeckungen gemacht wurden.
Die Frage, warum man nun heute an einem Perpetuum Mobile von Seiten der Wissenschaft nicht mehr interessiert ist, bleibt in diesem Sinne also weiterhin bestehen.
Aber sie ist auch nicht ganz richtig formuliert, denn es besteht auch heute nach wie vor ein großes Interesse daran, ein Perpetuum Mobile zu (er)finden.
Allerdings beschäftigen sich mit diesem „heißen“ Thema nur sehr wenige Wissenschaftler, dafür aber um so mehr sogenannte Laien, die sich wirklich sehr viel Mühe geben, das Geheimnis um ein Perpetuum Mobile zu lüften.
Man ist auch mittlerweile soweit, dass man zumindest 2 Kategorien von möglichen Perpetua Mobilia definiert hat. Die - und wenn wundert es noch - zwangsläufig gegen die Energieerhaltungssätze verstoßen, ja sogar verstoßen müssen, da es eben sonst keine „echten“ Perpetua Mobilia wären.
Hier nun die beiden Kategorien und ein paar Beispiele dafür, wie sie aufgebaut sein müssten:
Perpetuum Mobile erster Art
Die Idee ist, dass eine Maschine mit einem Wirkungsgrad von über 100 Prozent die zu ihrem Betrieb notwendige Energie selbst liefern könnte und zusätzlich Nutzenergie liefern würde (zum Beispiel ein einmal in Drehung versetzter elektrischer Generator). Eine solche Maschine verletzt den ersten Hauptsatz der Thermodynamik, den Energieerhaltungssatz, da sie Energie aus dem nichts heraus produzieren würde.
Beispiele:
· Ein Wasserrad pumpt Wasser nach oben. Ein Teil des Wassers fließt wieder nach unten und treibt das Wasserrad an.
· Ein Akkumulator bringt eine Lampe zum Leuchten. Das Licht wird in einem Fotoelement aufgefangen und erzeugt elektrischen Strom, der zum Teil seinerseits genutzt wird um den Akkumulator wieder aufzuladen.
Es wird bei dem Perpetuum Mobile erster Art 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 photophysikalische. 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 nicht von selbst stattfindet (Wärme fließt nur von warm nach kalt, nicht umgekehrt).
Perpetuum Mobile zweiter Art
Die Idee dabei: Arbeit aus der Umgebungswärme gewinnen, also die mittels lokaler Abkühlung gewonnene Wärme vollständig in (mechanische) Arbeit zurück umsetzen. Eine solche Maschine verletzt nicht den Energieerhaltungssatz, dafür aber den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, weil die vollständige Umwandlung von Arbeit in Wärme irreversibel ist.
Prinzipiell kann man ein Perpetuum Mobile der 2. Art daran erkennen, das 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, zum Beispiel Strom umwandeln.
Der 2. Hauptsatz verlangt allerdings, dass Maschinen, die Wärme und Wärmestrahlung (zum Beispiel Solarzellen) in andere Energieformen umwandeln, vier Voraussetzungen 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 wenigstens teilweise in Richtung des kalten Punkts 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, umso geringer ist der Anteil der höherwertigen Energie, dass heißt, umso 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 Antriebs-Energie, 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 Schiff durchquert ein Gewässer, in dem es zum Antrieb Wärme aus dem Wasser entzieht.
Nun sind diese Definitionen auch nicht gerade als neu zu bezeichnen, denn die Prinzipien waren auch schon vorher so diskutiert worden, wobei vor allem in Beziehung auf das Perpetuum Mobile zweiter Art, ein regelrechter Dämon für Aufregung in der Wissenschaft sorgte.
Keine Angst, ich will Sie jetzt nicht aufs Glatteis führen, sondern lasse die Geschichte einfach für sich selbst sprechen:
Der Maxwellsche Dämon oder Maxwell-Dämon ist ein vom schottischen Physiker James Clerk Maxwell 1871 veröffentlichtes Gedankenexperiment, mit dem er den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik hinterfragte.
Das Dilemma, das aus diesem Gedankenexperiment resultierte, wurde von vielen namhaften Physikern bearbeitet und führte mehrfach zu neuen Erkenntnissen. Auch heute noch inspiriert der Maxwellsche Dämon die theoretische Physik.
Außerhalb der Physik fand der Maxwellsche Dämon aufgrund der Faszination, die dieses Dilemma auslöst, auch Eingang in die Kunst.
Das Dilemma des Maxwellschen Dämons
Das ursprüngliche Gedankenexperiment beschreibt einen Behälter, der durch eine Trennwand mit einer verschließbaren kleinen Öffnung geteilt wird. Beide Hälften enthalten