Basiswissen

Eine Ratsche, auch Knarre genannt^[1] ist ein Art Werkzeug, bei der aus verschiedenen beliebigen Bewegungsrichtungen eine bevorzugte Richtung herausgefiltert wird.^[1] Überträgt man diese Idee auf die als richtungsmäßig zufällig gedachte Bewegung der vielen Teilchen in einer warmen Flüssigkeit oder einem warmen Gas, so müsste es eigentlich möglich sein, aus der Wärmeenergie von einem Gas oder einer Flüssigkeit eine gerichtete Bewegung und damit Arbeit zu gewinnen. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik aber sollte das unmöglich sein. Oder doch nicht?

Was widerlegt werden soll

Schon um das Jahr 1909 haben Physiker überlegt, ob oder wie man mechanische Arbeit aus einem gleichmäßig temperierten Wärmereservoir gewinnen könnte.^[2] In den 1960er Jahren argumentierte dann der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman (1918 bis 1988) mit Hilfe einer molekularen Ratsche gegen jede solche Möglichkeit, was später aber wieder angezweifelt wurde.^[4] Der Ausgangspunkt ist ein Axiom der Thermodynamik:

MERKATZ "Wenn sich alles auf derselben Temperatur befindet, so kann Wärme nicht mit Hilfe eines Kreisprozesses in Arbeit umgewandelt werden."^{[3, Seite 663]}

Wärme ist dabei die kinetische Energie der ungeordneten Bewegung einer große Anzahl von Teilchen. Arbeit hingegen "wird durch eine Kraft geleistet"^{[3, Seite 195]}

Fußnoten

[1] Ratschen oder Knarren als Werkzeuge. In: Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 7 Stuttgart, Leipzig 1909., S. 358. Online: http://www.zeno.org/nid/20006110207

[2] Dass es in der atomistischen Vorstellung von Gasen und Flüssigkeiten niemals ein dauerhaft perfektes thermodynamisches Gleichgewicht geben kann, unterstrich schon 1912 der österreichische Physiker Smoluchowski: "Während [...] der herkömmlichen thermodynamischen Auffassung zufolge ein abgeschlossenes System einem Gleichgewichtszustand entgegenstrebt, welcher durch die Bedingung des Potentialminimmus eindeutig definiert ist, muß im Sinne der Kinetik der wirkliche Zustand eines im thermodynamischen Gleichgewicht befindlichen Systems um einen mittleren Normalzustand herumschwanken und kann sich unter Umständen sogar beliebig weit von demselben entfernt. Am einfachsten liegt die Sache wohl im Falle der Dichteverteilung eines idealen Gases, da ist es unmittelbar klar, daß die Gasdichte nicht vollkommen gleichförmig sein kann, wie es der Thermodynamiker verlangt, da die Gasmoleküle sich unaufhörlich bewegen und nicht vollkommen gleiche Abstände einhalten werden." In: Marian Smoluchowski: Experimentell nachweisbare, der üblichen Thermodynamik widersprechende Molekularphänomene, In: Physikalische Zeitschrift, Band 13, 1912, S. 1068–1080. Dort der §2. Siehe auch thermodynamisches Gleichgewicht ↗

[3] Richard P. Feynman: The Feynman Lectures on Physics. Band 1, Kapitel 46, Addison-Wesley, 1963, ISBN 0-201-02116-1.

[4] Eine Kritik an der Feynmanschen Beweisführung für die Unmöglichkeit findet sich in: Parrondo, Espanol, Critique of Feynman's analysis of the ratchet as an engine, American Journal of Physics, Band 64, 1996, S. 1125–1130.

[5] Thermische und Quanten-Ratschen als Biomotoren, speziell auch im Hinblick auf den zweiten Hauptsatz der Thermodynamic (second law): "Brownian particles under spatially asymmetric potential attract much at-tention recently, which has been shown to produce nonzero net current un-der certain conditions. This type of the system is called thermal ratchetbecause particles are subject to the thermal noise. In the context of biol-ogy, thermal ratchets has been discussed as a possible mechanism of biologicalmotors." In: Yukawa, Satoshi & Kikuchi, Macoto & Tatara, Gen & Matsuakwa, Hiroshi. (1997). Quantum Ratchets. Journal of the Physical Society of Japan. Online: https://www.researchgate.net/publication/1871318_Quantum_Ratchets

[6] Richard Feynman: The Feynman Lectures on Physik, Ersterscheinung: 1964 (Originalfassung). Band 1. Mechanik, Strahlung, Wärme. Deutsch herausgegeben vom Oldenbourg Wissenschaftsverlag. 2007. ISBN: 978-3-486-58108-9. Dort das Kapitel "46 Knarre und Sperrhaken".