Newtons Irrtum. Matthias Härtel

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СКАЧАТЬ 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 Luft von zunächst gleicher Temperatur. Ein Wesen, das die Moleküle „sehen“ kann (die Bezeichnung Dämon erhielt es erst später), öffnet und schließt die Verbindungsöffnung so, dass sich die schnellen Moleküle in der einen und die langsamen Moleküle in der anderen Hälfte des Behälters sammeln.

      Unter idealen Bedingungen muss zum Öffnen und Schließen der Öffnung in der Trennwand keine Energie aufgewendet werden. Trotzdem könnte man mit der entstehenden Temperaturdifferenz zum Beispiel eine Wärmekraftmaschine betreiben. Man würde damit Arbeit verrichten und hätte gleichzeitig gegenüber dem Ausgangszustand letztlich keine weitere Veränderung außer einer Verringerung der Temperatur im Behälter. Damit wäre der zweite Hauptsatz der Thermodynamik verletzt und man hätte ein Perpetuum Mobile zweiter Art gefunden.

      Lösungsversuche:

      James Clerk Maxwell 1871

      Maxwell selbst sah in dem von ihm geschaffenen Problem lediglich einen deutlichen Hinweis auf die Tatsache, dass der zweite Hauptsatz statistischer Natur ist, also nur im makroskopischen Bereich gilt. Wählt man die Gesamtzahl der Moleküle klein genug, wird es sogar wahrscheinlich, dass auch bei ständig geöffneter Verbindung zeitweilig deutliche Temperaturunterschiede zwischen den beiden Behälter -hälften auftreten.

      Lord Kelvin 1874

      William Thomson, der spätere Lord Kelvin, führte die Bezeichnung „Maxwell’s Demon“ ein und erkannte, dass das Kritische an dessen Beschäftigung im „Sortieren“ liegt, was sich auch auf andere Arten verwirklichen lässt.

      Er postulierte zusätzlich zum ursprünglichen „Temperaturdämon“ die Möglichkeit anderer Dämonen, die zum Beispiel Wärmeenergie durch Sortieren nach der Bewegungsrichtung direkt in Bewegungsenergie verwandeln, Salzlösungen in СКАЧАТЬ