Was
ist ein Perpetuum mobile?
Das Perpetuum mobile ( das sich ständig Bewegende) ist ein uralter
Traum der Menschheit, dem bis heute nachgejagt wird. Es ist eine Maschine
oder Anordnung, die sich ständig ohne Energiezufuhr bewegt oder die
mehr Energie abgibt, als ihr von außen zugeführt wird. Ein mittelalterliches
Beispiel für eine solche Anordnung zeigt Bild 1.
Eine solche Maschine zu bauen, die ohne Energiezufuhr
ständig Arbeit verrichtet, ist zu verlockend. Viele "Erfinder"
sind diesem Phantom oft ihr ganzes Leben lang nachgejagt. Andere haben
viel Geld für ein angebliches Perpetuum mobile bezahlt, was natürlich
keins war, wo aber die Antriebsquelle so trickreich versteckt war, dass
sie erst nach dem Kauf entdeckt wurde.
Bereits im Jahre 1775 beschloss die Pariser Akademie der Wissenschaften
und die Royal Society in London als die damals weltweit führenden
wissenschaftlichen Einrichtungen, keine Arbeiten mehr zu begutachten,
die sich mit der Wirkungsweise eines Perpetuum mobiles befassen. Dies
ist um so bemerkenswerter, als bis dahin das Gesetz
von der Erhaltung der Energie noch nicht gefunden war.
Fast 70 Jahre sollten noch vergehen, bis der deutsche Arzt ROBERT
MAYER 1841mit der Formulierung des Prinzips von der Erhaltung der
Energie die wissenschaftliche Begründung für die Unmöglichkeit
eines Perpetuum mobile gab. Der 1.
Hauptsatz der Thermodynamik, der nichts anderes ist als der Energieerhaltungssatz
für thermische Vorgänge, wird häufig auch mithilfe des
Begriffs Perpetuum mobile formuliert:
Ein Perpetuum mobile ist nicht möglich.
Genauer müsste man formulieren, dass es sich
hierbei um ein Perpetuum mobile 1. Art handelt. Nähere Erläuterungen
dazu sind unten gegeben.
Konstruktionen von Perpetuum mobile sind schon aus dem Mittelalter bekannt. Häufig wurden Ungleichgewichte an Rädern oder Anordnungen von endlosen Ketten als "immerwährende" Antriebe benutzt. Bild 2 zeigt ein typisches Beispiel einer solcher Konstruktion, die natürlich nicht funktionierte. Bei jeder Bewegung wird ein Teil der Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt, daher kommen alle diese Anordnungen sehr schnell zum Stillstand.
Trotz der Fehlschläge bei der Suche nach einem
Perpetuum mobile führten die Arbeiten daran zu einigen bemerkenswerten
Entdeckungen. Eine der bedeutendsten ist wohl die Entdeckung
des Kräftegleichgewichts an der geneigten Ebene durch den
holländischen Mathematiker SIMON
STEVIN (1548 -1620). Bei der Untersuchung der in Bild 2 gezeigten
Anordnung, einer Kugelkette auf einer geneigten Ebene, kam er zu dem Schluss,
dass die vier Kugeln auf der langen Seite im Gleichgewicht mit den zwei
Kugeln auf der kurzen steileren Seite sein müssen. Wäre dies
nicht so, so würde sich die Kette von selbst bewegen, da sich die
Kräfte der frei hängenden Kugeln kompensieren. Aus dem Verhältnis
der Anzahl der Kugeln auf den Flächen fand er ohne Verwendung des
Kräfteparallelogramms die Bedingungen für das Kräftegleichgewicht.
Das Verhältnis der Seitenlängen entspricht dem Verhältnis
der Gewichte der Kettenstücken auf den Seiten.
Aus der Geschichte sind aber auch "funktionierende" Modelle
von Perpetuum mobile bekannt. Eines der bekanntesten ist das "selbstbewegende
Rad" des Doktor ORFFYREUS aus Deutschland, der zu Beginn des 18.
Jahrhunderts in ganz Europa bekannt war. Der Landgraf von Hessen-Kassel
stellte sogar Räume in seinem Schloss zur Verfügung, um die
Maschine zu untersuchen. In einem verschlossenen, von Grenadieren bewachten
Raum wurde das Rad mehrere Monate geprüft und für funktionsfähig
befunden. Ausgestattet mit einer Urkunde des Landgrafen zog der Erfinder
des "Wunderrades" anschließend mit großem Erfolg
durch ganz Europa. Natürlich hatte die Maschine einen Haken. Die
Frau oder das Dienstmädchen des Doktors waren abwechseln in einem
Nachbarzimmer und hatten ständig an einer dünnen Schnur zu ziehen
und damit das "Wunderrad" anzutreiben.
Raffinierter waren da schon versteckte Antriebe, die Temperaturschwankungen oder Luftbewegungen ausnutzten. Dabei wurden Längenänderungen von Bimetallen oder Volumenänderungen von Flüssigkeiten ausgenutzt, um Antriebsmechanismen aufzuziehen. Besonders raffiniert war der versteckte Antrieb des Schwungrades auf der Pariser Ausstellung 1860. Der Erfinder behauptete, niemand könne das Rad anhalten. Natürlich versuchten es viele Besucher. Nach kurzer Zeit aber begann das Rad erneut zu rotieren. Was die Besucher nicht wussten: Durch ihre Bemühungen das Rad anzuhalten, zogen sie über einen verborgenen Mechanismus eine Antriebsfeder immer wieder auf. Auch Künstler entwickelten immer wieder Ideen für ein Perpetuum mobile. Ein Beispiel zeigt die Darstellung von M. C. ESCHER (Bild).
Obwohl längst wissenschaftlich begründet,
gibt es auch heute immer wieder Versuche, den Satz von der Erhaltung der
Energie zu widerlegen und die Funktionsfähigkeit eines Perpetuum
mobile nachzuweisen. Da in den USA für eine Patenterteilung die Funktionsfähigkeit
von Erfindungen nicht nachgewiesen werden muss, gibt es auch mehrere patentrechtlich
geschützte Anordnungen von Perpetuum mobile.
Die Gründe für die Suche nach einem
Perpetuum mobile waren sehr vielfältig. Allen Versuchen gemeinsam
ist, dass sie erfolglos waren und damit die Allgemeingültigkeit des
Energieprinzips bestätigt wurde.
Perpetuum mobile
1. und 2. Art
In der Physik wird das oben beschriebene Perpetuum mobile auch als Perpetuum
mobile 1. Art bezeichnet. Ein solches Perpetuum mobile ist dadurch
gekennzeichnet, dass es mehr Energie nach außen abgibt als ihm zugeführt
wird. Es widerspricht somit dem Energieerhaltungssatz.
Davon unterscheiden die Physiker ein Perpetuum mobile 2. Art. Das ist eine Maschine, die es gestattet, beliebige Energieformen ohne Verluste ineinander umzuwandeln. Ein solches Perpetuum mobile ist nach dem Energieerhaltungssatz denkbar. Wie Untersuchungen in der Thermodynamik ergeben, kann man aber prinzipiell auch keine Maschine konstruieren, die nichts weiter bewirkt als das Heben einer Last bei gleichzeitiger Verringerung der thermischen Energie eines Wärmereservoirs. Thermische Energie kann nicht vollständig in mechanische Arbeit umgewandelt werden. Das würde dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik widersprechen. Er wird deshalb auch manchmal in folgender Form formuliert:
Ein Perpetuum mobile 2. Art ist nicht möglich.