Ein Perpetuum Mobile (lat. das „ununterbrochen Bewegliche“) 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 Thermodynamik (einem Teilgebiet 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. Heutige Vertreter solcher Theorien verwenden auch andere Bezeichnungen, zum Beispiel „Konverter für Freie Energie“.
Der Begriff „Perpetuum Mobile“ (PM) bezieht sich auf ein geschlossenes System, in dem gemäß des Energieerhaltungssatzes keine Energie entstehen oder verschwinden kann. Dies bedeutet, dass eine scheinbar von selbst laufende Maschine, welche Energie produziert, streng genommen kein Perpetuum Mobile wäre. Im Sinne der Energieerhaltung würde diese nämlich kein geschlossenes System bilden.
Perpetua Mobilia werden nach dem thermodynamischen Hauptsatz kategorisiert, den sie verletzen (Ausnahme: PM 3. Art). Die Klassifikation gibt keinen Hinweis zum beabsichtigten Funktionsprinzip des PM.
Perpetuum Mobile erster Art
Die Idee ist, dass eine Maschine mit einem Wirkungsgrad von 100 Prozent (oder größer) die zu ihrem Betrieb notwendige Energie selbst liefern würde (zum Beispiel 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 kleiner als 100 Prozent besitzt.
Beispiele
- Ein Wasserrad pumpt Wasser nach oben. Dieses 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 seinerseits 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 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
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 vollständige 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, 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, das 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 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 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 allerdings in makroskopischen Systemen kaum möglich, da in solchen Systemen die Reibung nie völlig verschwindet. kkkkkk
Geschichte
Erste Berichte über mechanische Perpetua Mobilia (kurz: PM) stammen aus Indien und dem Orient. Der indische Astronom Lalla beschreibt 748 in seinem Werk Sysyadhivrddhida Tantra ein PM-Rad. 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. Honnecourt erwähnt Quecksilber in seiner Beschreibung als Füllmittel, so daß davon ausgegangen wird, daß er die Arbeit von Bhaskara direkt oder indirekt kannte. In der Renaissance entwarfen DeGeorgio, Leonardo da Vinci oder Vittorio Zonca PMs, jedoch ohne praktische Ausführung. Da Vinci 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 (zum Beispiel Orffyreus) des PM.
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 Mayer und Clausius 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 Mobiles 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 größer. 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 wird. 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. - Magnet: Ein magnetisches Fahrzeug platziert über ein Gestänge einen starken Magneten vor sich. Der Magnet zieht das Fahrzeug an und wird dabei gleichzeitig ebenfalls fortbewegt, so dass das Fahrzeug die ganze Zeit hinter dem Magneten hergezogen wird und diesen die ganze Zeit vor sich her schiebt. Vergleichbar ist dies mit dem Esel, dessen Reiter über eine Angel eine Möhre vor dessen Nasen hält und ihn so zu ständiger Vorwärtsbewegung treibt.
Lösung: Dieses Perpetuum mobile verletzt keinen Hauptsatz der Thermodynamik, wohl aber das Prinzip der actio und reactio der Newtonschen Mechanik.