Wenn man in der Physik von Gesetzen spricht, setzt man sich der Gefahr von
Fehlinterpretationen aus. Wir sollten uns bewußt sein, daß diese
"Gesetze" emprische Erkenntnisse formulieren, sich also auf Ergebnisse und
Idealisierungen stützen, die aus vielen Versuchen und theoretischen
Ableitungen stammen. Viele der physikalischen Gesetze sind nur im makroskopischen
Bereich gültig und nicht immer in den atomaren Bereich übertragbar.
Elektronen kreisen auf keinen Planetenbahnen und Atome sind keine klitzekleinen
Billiardkugeln.
Wir werden uns bei unseren Analysen im makroskopischen Bereich aufhalten
und können deshalb die klassischen physikalischen Gesetze als gültig
betrachten, was die Analysen erheblich vereinfacht, ohne sie zu entwerten.
Dennoch sollten wir kritisch hinterfragen, ob eine bestimmte
Gesetzmäßigkeit nicht durch ein geeignetes Experiment in Frage
gestellt werden kann, wie es die Perpetuum-Mobile-Erbauer und
Freie-Energie-Verfechter regelmäßig für sich beanspruchen.
Die "Goldene Regel der Mechanik"
Frühere Baumeister und Handwerker kannten bereits die Goldene
Regel der Mechanik. Sie bezieht sich auf die Verwendung mechanischer
Hilfsmittel, wie z.B. Rampe oder Flaschenzug. Die Regel besagt: "Was an Kraft
gespart wird, muß an Weg aufgewendet werden". Die Goldene Regel der
Mechanik entspricht damit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik.
Bis jetzt konnte ich noch nicht herausfinden, wann und wo diese Regel ihren
Ursprung hat.
Newtons Gesetze
Mit Isaac Newton machte die Mechanik einen großen Schritt vorwärts.
Newton konnte mit seinen Untersuchungen und Theorien schlüssig zeigen,
daß himmlische und irdische Bewegungen gleichen
Gesetzmäßigkeiten unterliegen. Damit war die Bewegungstheorie
des Aristoteles endgültig überwunden. Die berühmten Newtonschen
Gesetze lauten:
-
Jeder Körper behält seine Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung
bei, wenn keine Kraft auf ihn einwirkt.
-
Kraft ist Masse mal Beschleunigung; die Richtung der Beschleunigung ist mit
der Richtung der Kraft identisch.
-
Die Kräfte zweier Körper aufeinander treten stets paarweise auf,
sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet.
Der Vorläufer der "Hauptsätze"
Nachdem die Französische Akademie der Wissenschaften lange genug von
Erfindern perpetuierlicher Maschinen belästigt wurde, veröffentlichte
sie im Jahre 1775 in ihren Mitteilungen diese Feststellung. Seitdem akzeptierte
die Akademie keine Arbeiten mehr über Perpetuum Mobiles, Winkeldreiteilung,
Würfelverdopplung und die Quadratur des Kreises. Die mathematischen
Themen wurden zurückgestellt, bis eine brauchbare Theorie auf solider
Grundlage entwickelt war.
Das berühmte Titelblatt |
|
"La construction d'un mouvement pepétuel est absoluement
impossible; quand même le frottement, la résistance du milieu
ne détruiroient point à la longue l'effet de la force motrice,
cette force ne peut produire qu'un effet égal à sa cause; si
donc on veut que l'effet d'une force finie dure toujours, il faut que cet
effet soit infiniment petit dans un tems fini. En faisant abstraction du
frottement & de la résistance, un corps à qui on a une
fois imprimé un mouvement le conserveroit toujours; mais c'est en
n'agitsant point sur d'autres corps, & le seul mouvement perpétuel
possible, dans cette hypothèse, (qui d'ailleurs ne peut avoir lieu
dans la Nature) seroit absolument inutile à l'object que se proposent
les Constructeurs des mouvement perpétuels. Ce genre des recherches
a l'inconvénient d'être couteux, il a ruiné plus d'une
famille, & souvent des Méchaniciens qui eussent pu rendre de grands
services, y ont consumé leur fortune, leur temps & leur
génie."
"Die Konstruktion der immerwährenden Bewegung ist absolut
unmöglich; selbst wenn die Wirkung der bewegenden Kraft nicht durch
Reibung und Widerstand der Umgebung aufgezehrt wird, so kann diese Kraft
nicht mehr Wirkung hervorbringen, als ihrer Ursache entspricht. Wenn die
Wirkung einer endlichen Kraft fortwährt, dann ist diese Wirkung nach
einer endlichen Zeit notwendigerweise unendlich klein Wenn Reibung und Widerstand
durch die Abstraktion ignoriert werden (was in der Natur nicht der Fall ist),
würde ein Objekt, das einmalig in Bewegung versetzt wurde, in unendlicher
Bewegung bleiben, aber nicht auf andere Objekte wirken können. Auf diese
Art wäre die perpetuierliche Bewegung völlig nutzlos im Hinblick
auf die Absichten ihrer Erfinder. Dieser Zweig der Forschung war unangemessen
teuer, hat mehr als eine Familie ruiniert & Mechaniker, die sonst
verdienstvoll hätten sein können, verschwendeten ihr Glück,
ihre Zeit und ihr Können." (Übers. Gramatke) |
Wir sollten uns bewußt sein, daß diese Feststellung gemacht wurde,
als die Diskussion um Kraft, Energie, Leistung und Impuls als weitgehend
abgeschlossen betrachtet werden konnte. Dennoch war das Energieprinzip, so
wie wir es heute kennen, noch nicht klar formuliert.
Heute kennen wir drei Hauptsätze der Thermodynamik, und einen weiteren,
der als "nullter Hauptsatz" oder als "thermometrisches Postulat" bezeichnet
wird.
Die Hauptsätze der Thermodynamik
Der "nullte" Hauptsatz / Thermometrisches Postulat
Wenn ein Objekt in thermischen Gleichgewicht mit zwei anderen Objekten A
und B ist, dann sind auch A und B untereinander in thermischen Gleichgewicht.
Der erste Hauptsatz
In einem abgeschlossenen System, in dem sich beliebige mechanische
und thermische Vorgänge abspielen, ist die Gesamtenergie
konstant.
Anders formuliert: jedes thermodynamische System im Gleichgewichtszustand
verfügt über eine innere Energie E. Zwischen zwei beliebigen
Gleuchgewichtszuständen ist die Änderung der inneren Energie gleich
der Differenz der zugeführten Energie und der Arbeit, die das System
geleistet hat.
Der zweite Hauptsatz
Die Energie des Weltalls ist konstant. Die Entropie des Weltalls strebt
einem Maximum zu.
Jeder Prozeß, der sich aus einem Gleichgewichtszustand in einen anderen
Gleichgewichtszustand bewegt, nimmt die Richtung, in der die Summe aus der
Entropie des Systems plus der Entropie der Umgebung bei irreversiblen Prozessen
anwächst und bei reversiblen Prozessen gleich bleibt.
Der dritte Hauptsatz
Die Entropie einheitlicher kondensierter Syteme hat am absoluten Nullpunkt
den Wert Null.
Die einfache Fassung der "Hauptsätze"
Da werde ich bei manchem Wissenschaftler Anstoß erregen, aber man kann
sich die Hauptsätze und ihre Kernaussagen ganz leicht in einer vereinfachten
Fassung merken:
-
Nullter Hauptsatz: Thermometer funktionieren
-
Erster Hauptsatz: Energie bleibt erhalten
-
Zweiter Hauptsatz: Das Durcheinander auf Schreibtischen nimmt nicht
ab
-
Dritter Hauptsatz: Am absoluten Nullpunkt ist alles
eingefroren
Die zugehörigen Perpetua Mobilia
Wie bereits im einführenden Kapitel zum Perpetuum Mobile erwähnt,
unterscheidet die moderne Wissenschaft die perpetuierlichen Maschinen, indem
sie passend zu dem Hauptsatz klassifiziert werden, den sie verletzen.
Konsequenterweise sollten wir nicht nur Maschinen der ersten und der zweiten
Art betrachten, sondern auch die der anderen Arten.Was sind das für
Maschinen? Eine ebenso allgemeine, wie praktisch vollkommen nutzlose Definition
ist diese:
-
Ein Perpetuum Mobile der n-ten Art verletzt den n-ten Hauptsatz der
Thermodynamik.
So finden wir nicht heraus, wie eine bestimmte Maschine funktionieren
soll, und wieso sie nicht im Sinne des Erfinders funktionieren
kann. Und selbstverständlich kommt es auch vor, daß ein
vermeintliches Perpetuum Mobile mehr als nur einen Hauptsatz verletzt.
Perpetuum Mobile der nullten Art
Es ist nicht möglich, ein PM der nullten Art von einem der zweiten Art
zu unterscheiden.
Perpetuum Mobile der ersten Art
Ein Perpetuum Mobile der ersten Art nutzt rein mechanische Einrichtungen,
um aus einer begrenzten Menge potentieller oder kinetischer Energie in Summe
mehr Energie zu erzeugen. In diese Kategorie gehören z.B. arabische
Räder oder Rezirkulationsmühlen. Eine immerwährende, reibungsfreie
Bewegung ist im idealisierten Fall zwar denkbar, im realen Universum aber
nicht darstellbar. Selbst ein Schwungrad, das im Weltall liefe, fernab jeglichen
irdischen Einflusses, wäre immer noch elektromagnetischen und
Gezeiteneffekten ausgesetzt. Nützliche Arbeit im Überschuß
zu erwarten, ist verfehlt, da diese Einrichtung in der Praxis nicht einmal
sich selber ewig in Bewegung halten könnte.
Perpetuum Mobile der zweiten Art
Ein Perpetuum Mobile der zweiten Art transportiert Wärme von einem kalten
zu einem wärmeren Reservoir. Obwohl die Gesamtenergie des Systems erhalten
bleibt, und diese Einrichtung nicht gegen den ersten Hauptsatz
verstößt, ist sie unmöglich. Erstmalig wurde diese Idee 1871
von James Clerk Maxwell formuliert. Der Maxwellsche Dämon ging als
klassisches Gedankenexperiment in die Geschichte der Physik ein. Ein solcher
Dämon könnte zwei Wärmereservoire beliebig aufheizen bzw.
abkühlen und ergäbe eine hervorragende Heizung für eine
Wärmekraftmaschine. Der zweite Hauptsatz und das thermometrische Postulat
verhindern jedoch erfolgreich die Beschwörung des Dämons. Das "warum"
konnte allerdings erst von Max Planck befriedigend theoretisch erklärt
werden.
Perpetuum Mobile der dritten Art
Man könnte sich eine Maschine vorstellen, die über zwei
Wärmereservoire verfügt, von denen eines auf den absoluten Nullpunkt
abgekühlt wurde und damit im eigentlichen Sinne kein Wärmereservoir
mehr ist. Eine Wärmekraftmaschine könnte dieses Temperaturgefälle
nutzen und mechanische Arbeit leisten, wobei das Wärmereservoir
abkühlt. Der auf absolut Null gekühlte Behälter würde
nicht wärmer werden, sondern die Wärme absaugen. Dies Maschine
verstößt weder gegen der ersten noch gegen den zweiten Hauptsatz,
da der Wärmefluß in der "richtigen" Richtung stattfindet. Der
dritte Hauptsatz verhindert jedoch den Bau dieses hypothetischen Perpetuum
Mobiles, da die Summe der Entropie in den Behältern abnimmt. Dies, und
die unvermeidlichen Einstrahlungen in ein kaltes Reservoir verhindern die
experimentelle Erreichung des absoluten Nullpunktes im Labor.
... und weitere
Obwohl es keinen vierten Hauptsatz der Thermodynamik gibt, sind mir Ansätze
zu Perpetua Mobilia der "vierten Art" bekannt. Ihre Erdenker gehen von gewissen
hypothetischen Konstruktionen aus, die ich hier später einmal kurz
skizzieren will.