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May 5, 2011

Was ist ein Perpetuum Mobile?

by Redaktion

Ein Perpetuum Mobile ist eine Maschine, die in der Lage ist sich selbst am Laufen zu halten. Das bedeutet, die Maschine muss funktionieren ohne Energie zu verlieren oder zugeführt zu bekommen. Zur Überprüfung werden hier die Energieerhaltungssätze verwendet. Ein echtes Perpetuum Mobile gibt es derzeit nicht. Dennoch gibt es immer wieder Wettbewerbe um ein solches hervorzubringen.

„Perpetuum mobile“ kommt aus dem lateinischen und bedeutet “das ununterbrochen Bewegliche“. Das Perpetuum mobile ist eine Konstruktion, die, wenn man sie einmal in Bewegung gesetzt hat, ewig in Bewegung bleibt.

Schon im 5. Jh. fand man in alten Schriften erste Spuren über ein Perpetuum mobile. Perpetuum mobiles sind ein Mythos, der in allen Jahrhunderten seither auftaucht. Auch im 19. und 20. Jh. finden sich immer wieder Entwürfe, die in Patentämtern angemeldet werden. Doch alle diese Vorrichtungen scheitern an den Gesetzen der Physik.

Auf Grund von fundamentalen Erkenntnissen aus der Thermodynamik (Wärmelehre) weiß man seit langem, dass ein Perpetuum Mobile bisher nicht existiert.

Der Begriff „Perpetuum Mobile“ bezieht sich auf ein geschlossenes System, in dem gemäß dem Energieerhaltungssatz keine Energie entstehen oder verschwinden kann. Mit anderen Worten: Wenn eine Maschine scheinbar Energie aus dem Nichts erzeugen würde, dann muss es innerhalb der Physik diese Energie bereits in einer anderen Form zur Verfügung haben. Diese würde lediglich in eine neue Energieform umgewandelt werden.

Perpetua Mobilia werden in drei Kategorien eingeteilt:

 

Perpetuum Mobile erster Art
Die Idee ist, dass eine Maschine, die Energie die für den Betrieb gebraucht wird, selbst liefert und gegebenenfalls zusätzlich Energie bereit stellt. Eine solche Maschine verletzt einen Hauptsatz des Energieerhaltungsgesetzes, nämlich das Energie aus “nichts” produziert wird.

Beispiel: Ein Wasserrad pumpt Wasser nach oben. Ein Teil des Wassers fließt wieder nach unten und treibt das Wasserrad an.

Problem: Reibungsverluste. Alle Verluste führen zu einer Temperaturerhöhung und zwar genau an dem Teil, an welchen sie entstehen. Die Maschine muss über kurz oder lang stehen bleiben, weil eine Rückführung aufgrund der Temperaturdifferenz von selbst nicht stattfindet: Wärme fließt von selbst nur von warm nach kalt, nicht umgekehrt.

 

Perpetuum Mobile zweiter Art
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 verstoßen, es wären also Maschinen denkbar, die unter Beachtung der Energieerhaltung Wärme in höherwertige Energieformen, zum Beispiel Strom umwandeln.

Der 2. Hauptsatz der Wärmelehre verlangt allerdings, dass Maschinen, die Wärme und Wärmestrahlung (zum Beispiel Solarzellen) in andere Energieformen umwandeln, vier Voraussetzungen erfüllen müssen:

1. Es muss einen heißen und einen kalten Punkt geben

2. Eine Wärmekraftmaschine arbeitet zwischen dem heißen und dem kalten Punkt

3. Die Wärme fließt durch die Wärmekraftmaschine, die nun einen Teil der Wärme in höherwertige Energieformen umwandeln kann

4. Ein anderer Teil der Wärmeenergie wird von der Maschine an den kalten Punkt durchgeleitet

Perpetuum Mobile dritter Art

Ein Perpetuum Mobile der 3. Art leistet keinerlei Arbeit, sondern behält seine anfängliche Bewegung bzw. Energie bei, ohne sich mit der Zeit abzubremsen. Im mikroskopischen Bereich laufen solche Prozesse ständig ab, man denke zum Beispiel an Supraleiter, bei denen der elektrische Widerstand Null ist. 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 Suprafluidität lassen sich solche Maschinen vorstellen. Ein ideales Perpetuum Mobile 3. Art ist hingegen in makroskopischen Systemen kaum möglich, da in solchen Systemen die Reibung nie völlig verschwindet.

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