Perpetuum Mobile
Ein Perpetuum Mobile (1. Art) ist eine physikalisch unmögliche Maschine, die ohne Energiezufuhr immer läuft, Image, CC0

Ein Perpetuum Mobile ist eine physikalisch unmögliche Maschine. Wie der Name sagt, läuft diese Maschine von selbst und immer, ohne dass sie mit Energie versorgt werden muss.

Die meisten Perpetuum Mobile gehören zur ersten Art, die den Ersten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen, indem sie “neue” Energie erzeugen. Typischerweise geben solche Maschinen die ganze Zeit Energie ab, jedoch ohne welche aufzunehmen.

Etwas seltener sind Perpetuum Mobile zweiter Art. Sie verletzen den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, weil sie Entropie vernichten.

Perpetuum Mobile erster Art

Perpetuum Mobile
Ein Perpetuum Mobile (1. Art) ist eine physikalisch unmögliche Maschine, die ohne Energiezufuhr immer läuft. Hier treibt das Wasser über ein Wasserrad den Schleifstein an, gleichzeitig aber auch die Pumpe (archimedische Schraube), Image, CC0

Im oberen Bild ist ein Perpetuum Mobile aus dem 16. Jahrhundert dargestellt. Das Wasser, das vom oberen Becken auf das Wasserrad fällt, treibt eine archimedische Schraube an, die eigentlich nichts anderes als eine Pumpe ist. Das Wasser wird somit wieder nach oben gepumpt.

Das Wasser im oberen Becken enthält aufgrund seiner erhöhten Lage potentielle Energie und kann damit durchaus das Wasserrad antreiben. Die potentielle Energie wird in kinetische Energie umgewandelt. Allerdings wird ein Teil der Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt. Die kinetische Energie ist mengenmässig bereits kleiner als die ursprüngliche potentielle Energie. Mit der archimedischen Spirale wird die kinetische Energie wieder in potentielle Energie umgewandelt, jedoch verlieren wir auch hier wieder einen kleinen Teil in Form von Wärme. Im oberen Becken wird so nach und nach weniger Wasser vorhanden sein, bis die Maschine aufhört zu drehen.

Der Erfinder der Maschine dachte nicht nur, sie würde sich selber antreiben, sondern wollte zusätzlich die Drehbewegung für den Betrieb eines Schleifsteins nutzen. Die zusätzliche Reibungsarbeit würde der Maschine noch schneller Energie entziehen und sie stoppen.

Sankey-diagramm (Energieflussdiagramm) eines Perpetuum Mobile
Mit einem Sankey-Diagramm (Energieflussdiagramm) wird schnell ersichtlich, dass das Perpetuum Mobile die Energieerhaltung verletzt, indem Energie aus dem Kreislauf gezogen wird, diese aber nie abnimmt.

Stellt man das Sankey-Diagramm für die Maschine auf, so sieht man auf einen Blick, dass es sich um ein Perpetuum Mobile handelt, das physikalisch unmöglich ist. Die potentielle Energie wird z.B. zur Hälfte als Reibungsarbeit abgezweigt und trotzdem vollständig in Form von kinetischer Energie rezykliert. Hier sieht man den Überlegungsfehler, der letztlich einer “Erschaffung” neuer Energie entspricht.

Perpetuum Mobile zweiter Art

Ein Perpetuum Mobile zweiter Art verletzt den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Gemäss diesem Hauptsatz darf Entropie nicht vernichtet werden. Das Perpetuum Mobile zweiter Art nimmt aber mehr Entropie auf, als es wieder abgibt.

Beispiel: Ein neuartiger Bus saugt Umgebungsluft auf, entzieht dieser Luft eine gewisse Menge an Wärme und gibt die abgekühlte Luft wieder ab. Die aufgenommene Wärme wandelt der Bus mit Hilfe einer ausgeklügelten Technik in kinetische Energie um. Aus Sicht des Ersten Hauptsatzes der Thermodynamik ist alles in Ordnung. Der Bus hat seine Energie aus der Umgebung aufgenommen und damit die Energieerhaltung eingehalten.

Gemäss Zweitem Hauptsatz der Thermodynamik nimmt der Bus durch die Abgabe kühler Luft an die Umgebung, Entropie auf. Da die Entropie das System nicht mehr verlassen kann, würde sie sich im System immer mehr akkumulieren. Das wir keinen Wärmestrom haben, mit welchem wir die Entropie abführen könnten, bleibt nur noch die Vernichtung von Entropie, die physikalisch unmöglich ist.

Ein solcher Bus könnte funktionieren, wenn er beispielsweise die abgekühlte Luft an eine zweite, noch kältere Umgebung abgeben könnte. Damit würde er von der Temperaturdifferenz der beiden Umgebungen profitieren und mit einem Teil der aufgenommenen Wärme seinen Motor antreiben. Über die Abgabe der abgekühlten Luft an die noch kühlere, zweite Umgebung würde er die Entropie wieder loswerden.