Als Perpetuum mobile (lat. ‚sich ständig Bewegendes‘, Mehrzahl Perpetua mobilia) werden unterschiedliche Kategorien ausgedachter, nicht existierender Geräte bezeichnet, die – einmal in Gang gesetzt – ohne weitere Energiezufuhr ewig in Bewegung bleiben und dabei je nach zu Grunde gelegter Definition möglicherweise auch noch Arbeit verrichten sollen. Allen ist gemeinsam, dass sie mindestens einem thermodynamischen Hauptsatz widersprechen und deshalb nicht realisierbar sind.
Kategorien von Perpetua mobilia mini|Perpetuum mobile mit Wasserrad
Perpetua mobilia werden gemäß dem thermodynamischen Hauptsatz kategorisiert, den sie jeweils verletzen. Die Klassifikation gibt daher keinen Hinweis auf das beabsichtigte Funktionsprinzip des Perpetuum mobile.
Perpetuum mobile erster Art Als Perpetuum mobile erster Art bezeichnet man eine Maschine, die dem Energieerhaltungssatz (analog dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik) widerspricht. Sie soll dadurch mindestens die zu ihrem eigenen Betrieb notwendige Energie und in manchen Fällen zusätzlich Nutzenergie liefern. Eine solche Maschine würde Energie aus dem Nichts erzeugen und damit dem Energieerhaltungssatz widersprechen.
Beispiele für Perpetua mobilia erster Art: Eine Pumpe, die Wasser nach oben pumpt und über ein Wasserrad von einem Teil dieses Wassers angetrieben wird. Eine Lampe leuchtet, das Licht wird von einem Fotoelement („Solarzelle“) aufgefangen und in elektrischen Strom umgewandelt, der wieder die Lampe leuchten lassen soll.
Bereits der „einfache“ geschlossene Energiekreislauf ohne Bereitstellung zusätzlicher Nutzleistung ist wegen der unvermeidlichen Verluste (beispielsweise durch Reibung, Verformung oder anderweitige Wärmeabgabe an die Umgebung) nicht möglich.
Physikalische Unmöglichkeit des Perpetuum mobile erster Art Der Energieerhaltungssatz gilt aller Erfahrung nach ohne Ausnahmen. In der theoretischen Physik folgt er aus der Definition der Energie z. B. in der Hamiltonschen Mechanik oder entsprechend mit Hilfe des Hamilton-Operators der Quantenmechanik. Nach dem mathematischen Noether-Theorem bleibt die so definierte Energie in einem abgeschlossenen System genau dann erhalten, wenn sich die Art der physikalischen Wechselwirkungen zeitlich nicht ändert. Umgekehrt und genauer: Wenn sich die physikalisch definierte Gesamtenergie eines Systems ändert, z. B. zunimmt, dann enthält das zugehörige mathematische Modell zwingend einen Energiebeitrag, der nicht durch die Messgrößen des Systems allein bestimmt wird, sondern explizit von der Zeit abhängt. Dieser Energiebeitrag beruht dann also auf einem Einfluss von außerhalb des Systems. Es handelt sich somit nicht um ein abgeschlossenes System, das alle wechselwirkenden Bestandteile umfasst. Der Begriff „Perpetuum mobile“ bezieht sich im physikalischen und patentrechtlichen Sinne jedoch allein auf ein abgeschlossenes System, in dem definitionsgemäß die Erhaltung der Gesamtenergie gilt, also keine Energie entstehen oder verschwinden kann, woraus sich die Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile ergibt.
Jeder Mechanismus, der messbar die Energie im heute bekannten Universum vermehrt, statt sie lediglich umzuverteilen, würde demnach auf einen noch ungeklärten Einfluss von außerhalb des physikalisch beschriebenen Universums hinweisen. Während eine solche Situation einen Mystiker ansprechen mag, müsste die Naturwissenschaft hierzu die Definition der Energie in einer umfassenderen Theorie mit mehr oder anderen Messgrößen erweitern. Man würde in einem solchen Fall zunächst nach Wechselwirkungen mit der Umgebung, wie z. B. Strahlung, oder nach inneren Freiheitsgraden suchen, z. B. (sub-)molekulare Wechselwirkungen, bis der beobachtete Energiegewinn als Umwandlung aus einer bisher nicht berücksichtigten Energieform aufgefasst werden kann. Auf diese Weise könnten jedoch auch noch unbekannte Grundkräfte entdeckt und beschrieben werden.
Theorien, welche die Existenz eines Perpetuum mobile behaupten, sind daher pseudowissenschaftlich, da sie nicht dasselbe unter „Energie“ verstehen wie die Physik, aber in ihren Aussagen den physikalischen Begriff benutzen. Heutige Vertreter solcher Theorien weichen deshalb häufig auch auf andere Bezeichnungen aus, z. B. „Konverter für Freie Energie“.Beispielsweise ist eine umfangreiche Sammlung vermeintlicher Perpetua mobilia enthalten in: Hierbei darf der esoterisch belegte Begriff der „Freien Energie“ nicht mit dem wissenschaftlich-thermodynamischen Begriff Freie Energie verwechselt werden.
Perpetuum mobile zweiter Art Ein Perpetuum mobile zweiter Art verstößt gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Die Maschine soll Arbeit aus der Umgebungswärme gewinnen, ohne dass ein (ständig aufrechterhaltenes) Temperaturgefälle notwendig wäre. Da ihr eigener Betrieb wiederum Wärme erzeugt, wäre damit der „Energiekreislauf“ unendlich möglich. Der Umgebung soll ein Teil ihrer Wärmeenergie entzogen und (teilweise) in die zum Betrieb der Maschine notwendige (Antriebs-)Energie umgewandelt werden (sowie eventuell etwas zusätzliche Nutzenergie). Eine solche Maschine verletzt nicht den Energieerhaltungssatz, jedoch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, weil die Umwandlung von Arbeit in Wärme immer irreversibel ist. Es ist also unmöglich, im Raum gleich verteilte Wärmeenergie in ungleich verteilte Energie zu verwandeln (die zum Antrieb von Maschinen nutzbar wäre), ohne hierfür zusätzliche Energie aufzuwenden. Zur Quantifizierung dieser Irreversibilität ist Mitte des 19. Jahrhunderts die Entropie definiert worden.
Die Konzepte für Perpetua mobilia zweiter Art beruhen auf einem Missverständnis des Prinzips einer Wärmekraftmaschine. Diese muss nach dem Zweiten Hauptsatz mit einem heißen und einem kalten Punkt oder Reservoir arbeiten. Die Maschine wandelt einen Teil der von heiß nach kalt fließenden (Wärme-)Energie in eine höherwertige Energieform um; der Rest der Wärmeenergie wird 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 stehen.
Die Temperaturdifferenz zwischen dem heißen und dem kalten Punkt bestimmt das erreichbare Verhältnis zwischen höherwertiger Energie und durchgeleiteter Wärme (siehe Carnot-Wirkungsgrad)
Beispiele für Perpetua mobilia zweiter Art: Ein Kochtopf, der Wärme aus der Zimmerluft sammelt und sich dadurch erhitzt. An seinen Seitenwänden und oben erwärmt er wiederum die Zimmerluft. Ein Rad, das sich dreht, indem ihm Antriebsenergie aus der Wärme des Zimmers zugeführt wird. Seine Reibung erzeugt wiederum Wärme. Ein U-Boot, das ein Gewässer durchquert und zum Antrieb das umgebende Wasser abkühlt. Seine Fahrt erzeugt wiederum Reibungswärme.
Ein Gedankenexperiment, der Maxwellsche Dämon, veranschaulicht Aspekte des Perpetuum mobile 2. Art. Er ist vor allem bemerkenswert, da er einen direkten Zusammenhang zwischen Physik und Informationsverarbeitung herstellt: Es muss eine Mindestenergiemenge aufgebracht werden, um n Bit Information verarbeiten zu können.
Ein weiteres Beispiel ist die Smoluchowski-Feynman-Ratsche (Molekulare Ratsche). Eine elektronische Analogie zum Maxwellschen Dämon wäre die Gleichrichtung des thermischen Rauschens der Elektronen in einem elektrischen Leiter durch eine Halbleiter-Diode, die aber ebenfalls aus energetischen Gründen nicht funktionieren kann (Brillouin-Paradoxon).
Viele der Ideen zu molekularen Motoren und Maschinen, die ursprünglich reine Gedankenexperimente waren, werden heute von den Synthesemöglichkeiten der modernen Chemie erreicht. Kay u. M.Kay, Leigh, Zerbetto: Synthetische molekulare Motoren und Maschinen. In: Angew. Chem. 119, 2007, S. 72–196. haben hierzu alte und aktuelle Ideen vorgestellt und die technischen Probleme und physikalischen Prinzipien diskutiert. Nach einer Idee von Fritz Vögtle sollten topologisch chirale Rotaxane (kleine Propeller, deren Vorder- und Rückseite unterschiedliche Form haben) im thermischen Gleichgewicht mit einem chiralen Gas (z. B. H3C-CHClF) bevorzugt in eine Richtung rotieren.Angew. Chem. Int. Ed. 42, 2003, S. 4542–4545. Dieses hypothetische Phänomen, das augenscheinlich den 2. Hauptsatz verletzen würde, konnte bisher noch nicht experimentell bestätigt werden.
Im Jahr 2000 wurden mögliche Verletzungen des zweiten Hauptsatzes in quantenmechanischen Systemen diskutiert. Allahverdyan und Nieuwenhuizen berechnen die Brownsche Bewegung eines Quantenpartikels, das stark an ein Quanten-Wärmebad gekoppelt ist,Allahverdyan, Nieuwenhuizen: Extraction of work from a single thermal bath in the quantum regime. In: Physical Review Letters. Band 85, 2000, S. 1799–1802. Allahverdyan, Nieuwenhuizen: Extraction of work from a single thermal bath in the quantum region. In: Phys. Rev. Letters. Band 85, 2000, S. 1799–1802, . Allahverdyan, Nieuwenhuizen: Quantum brownian motion and its conflict with the second law. In: Proc. Quantum limits of the 2. Law, San Diego 2002, und zeigten, dass bei tiefen Temperaturen Energie aus einem Wärmebad durch zyklische Variation von Parametern gewonnen werden kann und somit eine scheinbare Verletzung des 2. Hauptsatzes aufgrund von Quanten-Kohärenz-Phänomenen vorliegt. Ihre Arbeit stieß auf Kritik.
Nach Capek und Bok (1999)Bok Capek: A thought construction of working perpetuum mobile of the second kind. (PDF; 114 kB). In: Czechoslovak Journal of Physics. Band 49, 1999, S. 1645–1652. ist der Maxwellsche Dämon unter bestimmten Voraussetzungen zur Selbstorganisation fähig. Dies führe zu einem expliziten Gedankenkonstrukt eines Perpetuum mobiles 2. Art.
Perpetuum mobile dritter Art Die Benennung Perpetuum mobile dritter Art wird nicht einheitlich verwendet. Nach der oben gegebenen Definition verstößt ein Perpetuum mobile dritter Art gegen den 3. Hauptsatz der Thermodynamik, d. h., es verwendet der Idee nach ein Wärmereservoir der Temperatur 0 K (oder kleiner).Landsberg. In: J. Phys. A. Band 10, 1977, S. 1773.
Schein-Perpetuum-mobile Ein Schein-Perpetuum-mobile nutzt z. B. kleine Druck- oder Temperaturschwankungen seiner Umgebung ähnlich wie beim Energy Harvesting. Beispielsweise ist ein empfindlicher Seismograph immer in Bewegung, aber trotzdem kein Perpetuum mobile. Typisch für alle Schein-Perpetua-mobilia ist die geringe Leistungsdichte; d. h., es wird eine große und schwere Apparatur benötigt, um zumindest einen geringen Energiebetrag nutzen zu können.
mini|hochkant=0.7|Das Flügelrad einer Lichtmühle. Links die ungeschwärzte Seite eines Glimmerplättchens, rechts die geschwärzte. Beispiele solcher Vorrichtungen, die früheren Zeiten als Perpetua mobilia erschienen, sind: Lichtmühle Atmosphärische Uhr Zamboni-Pendel Trinkvogel N-Maschine, ein Beispiel für eine Elektromotor-Generator-Konstruktion, bei der durch Messfehler und die Nichtbeachtung geringer, jedoch entscheidender Gegenkräfte der Eindruck eines Perpetuum mobile erweckt wird.
Geschichte mini|Perpetuum mobile des Villard de Honnecourt (um 1230)
Schon frühe Zivilisationen und Völker waren von der immerwährenden Himmelsmechanik fasziniert und starteten zu allen Zeiten „physikalische“ Erklärungsversuche. Erste Berichte über mechanische Perpetua mobilia stammen aus Indien und dem Orient. Der indische Astronom Lalla beschreibt 748 in seinem Werk Sysyadhivrddhida Tantra ein Perpetuum-mobile-Rad. Gegen 1150 beschreibt der indische Mathematiker Bhaskara II. ein Perpetuum mobile, das aus einem Rad besteht, welches quecksilbergefüllte Speichen trägt.