Perpetuum Mobile

Es gibt verschiedenste Exemplare von unmöglichen Maschinen. Leider funktionieren sie alle nicht, denn sie widersprechen den Gesetzen der Physik. So sehr ihre Erfinder es nicht wahr haben wollen, so einfach ist es:

• Eine Maschine, die aus dem Nichts irgendeine Form von Energie erzeugt, kann es nicht geben (Widerspruch der Energieerhaltung)
• Eine solche Maschine würde ewigs laufen. Sie heisst deshalb Perpetuum Mobile, was übersetzt “ewigs laufend” heisst.

Wir unterscheiden zwischen zwei Arten von Perpetuum Mobiles:

• Perpetuum Mobile erster Art (im Widerspruch zum Ersten Hauptsatz der Thermodynamik)
• Perpetuum Mobile zweiter Art (im Widerspruch zum Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik)

Das Perpetuum Mobile erster Art verletzt die Energieerhaltung. Energie kann nicht aus dem Nichts erzeugt werden. Wenn eine Maschine Energie aufnimmt, dann muss sie diese Energie von irgendwo her haben. Beispielsweise würde das Rad im obigen Bild sich dauernd selbst antreiben und die Reibungsverluste decken. Die Erfinder gehen dann noch einen Schritt weiter und behaupten, dass das sich drehende Rad etwas antreiben kann, d.h. wir können aus dieser Quelle weitere Energie abzapfen.

Etwas komplizierter ist das Perpetuum Mobile zweiter Art. Dieses steht im Widerspruch zum Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass die Menge an Entropie nur gleich bleiben oder zunehmen kann. Auf keinen Fall kann die Entropie abnehmen. Ein solches Perpetuum Mobile wäre eine Maschine, die z.B. Wärme aufnimmt (zusammen mit ihrer Entropie) und sie zu 100% in mechanische Bewegung umwandelt, so dass die Entropie plötzlich verschwindet.

Perpetuum Mobile erster Art

Ein typisches Perpetuum Mobile der ersten Art wurde schon im 17. Jahrhundert vorgeschlagen. Von einem oberen Becken fällt das Wasser auf ein Wasserrad. Dieses treibt eine Pumpe an, die das Wasser wieder nach oben pumpt und gleichzeitig noch etwas antreibt, z.B. einen sich drehenden Schleifstein.

Das Wasser im oberen Becken enthält aufgrund seiner erhöhten Lage potenzielle Energie und kann damit durchaus das Wasserrad antreiben. Die potenzielle Energie wird in kinetische Energie umgewandelt. Allerdings wird ein Teil der Energie durch Reibung in thermische Energie umgewandelt. Die kinetische Energie ist mengenmässig bereits kleiner als die ursprüngliche potenzielle Energie.

Mit der Pumpe wird die kinetische Energie wieder in potenzielle Energie umgewandelt, jedoch verlieren wir auch hier durch Reibung einen kleinen Teil in Form von thermischer Energie. Im oberen Becken wird so nach und nach weniger Wasser vorhanden sein, bis die Maschine aufhört zu drehen.

Stellt man das Sankey-Diagramm (Energieflussdiagramm) für eine solche unmögliche Maschine auf, so sieht man auf einen Blick, dass es sich um ein Perpetuum Mobile handelt.

Die potenzielle Energie wird z.B. zur Hälfte als Reibungsarbeit für den Antrieb eines Schleifsteins abgezweigt. Trotzdem wird Energie zurückgeführt, und zwar gleich viel, wie wir ursprünglich in Form von potenzieller Energie hatten.

Hier sieht man den Überlegungsfehler und die Verletzung der Energieerhaltung, die letztlich einer Erzeugung 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 dauernd Entropie auf und lässt sie wieder verschwinden.

Beispiel: Ein neuartiger Bus saugt Umgebungsluft auf, entzieht dieser Luft eine gewisse Menge an thermische Energie und gibt die abgekühlte Luft wieder ab. Die aufgenommene Energie wandelt der Bus mit Hilfe einer ausgeklügelten Technik in kinetische Energie um. Aus Sicht der Energieerhaltung (Erster Hauptsatz 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 kühlerer Luft an die Umgebung, Entropie auf. Kalte Luft abgeben, ist wie Wärme aufnehmen. Wenn wir die Wärme \(Q\) bei der Temperatur \(T\) aufnehmen, nehmen wir gezwungenermassen immer auch Entropie \(\Delta S\) auf:

\[ \Delta S = \frac{Q}{T} \]

Die Entropie in der Maschine nimmt zu. Sie kann die Maschine auch nicht mehr verlassen und würde sich immer mehr akkumulieren, was nicht nachhaltig ist.

Wir müssten unbedingt Wärme abführen, um die Entropie los zu werden. Daran hat der Erfinder aber nicht gedacht, sondern er ist davon ausgegangen, dass sich das Problem von selbst löst, was letztlich der Vernichtung von Entropie gleichkommt. Das ist aber physikalisch unmöglich. 🧐

Ein solcher Bus könnte nur funktionieren, wenn er 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. Ein solcher Antrieb wäre eine sog. Wärmekraftmaschine, die Wärme von einem höheren Temperaturniveau auf ein tieferes Temperaturniveau bringt.