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Molekulare Ratsche / Feynmans Erklärung
 
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mischmi



Anmeldungsdatum: 20.11.2018
Beiträge: 5

Beitrag mischmi Verfasst am: 23. Aug 2020 20:10    Titel: Molekulare Ratsche / Feynmans Erklärung Antworten mit Zitat

Hallo
ich habe ein paar Fragen (und "ungekämmte Gedanken") zu molekularer Ratsche, die mich umtreiben.
https://de.wikipedia.org/wiki/Molekulare_Ratsche
https://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_46.html
Es gibt beliebig viele belibig abitionierte Abhandlungen zu brownscher Bewegung und Motoren, meistens sind die mir zu schwer. (bin kein Physiker, dennoch:)

Von Interesse ist "nur" der Fall bei gleichen Temperaturen. Bei unterschiedlichen Temperaturen geht einiges, das ist nicht weiter verwunderlich.

  1. Eine ideal elastische Ratsche (ohne Dämpfung) soll nach Feynman nicht funktionieren, weil sie schwingt.
    Müsste/könnte man nicht eine funktionierende Ratsche ersinnen und analysieren? (zwansgeführte Klinke, kontinuierlich wirkende Varianten von Freilauf, oder so...). Zwar ist es nicht entscheidend, Dämpfung gehört schon dazu. Es wäre aber hilfreich für eine Analyse, mit reibungsfrei bewegten Masse und Feder, und einem dran geklemmten Flügel, der mit Teilchen bombardiert wird. (um sauber im kinetischem, newtonschen, umkehrbaren Ansatz zu bleiben)

  2. Zunächst dachte ich, dass eine durch brownsche Bewegung getriebene Temperaturdifferenz zu postulieren schon gewagt ist, und den 2ten Hauptsatz verletzt (eine kleine Bremse statt Ratsche?:-). Möglicherweise ist aber der Zwischenschritt über das Ansammeln der potentiellen Energie in der Feder entscheidend und dann die dissipative Energieabgabe beim Runterknallen der Klinke ok. (?)

  3. Heisslaufende Ratsche:
    Zitat:
    When the damping happens, of course, the energy that was in the pawl goes into the wheel and shows up as heat. So, as it turns, the wheel will get hotter and hotter. To make the thing simpler, we can put a gas around the wheel to take up some of the heat. Anyway, let us say the gas keeps rising in temperature, along with the wheel. Will it go on forever?
    • Aber der Aufbau einer Temperaturdifferenz ist doch genau das, was den 2-ten Hauptsatz verletzt! Sobald eine Temperaturdifferenz sich einstellt, wird z.B. ein dazwischen geschalteter Carnot-Prozess funktionieren können.
    • oder eine 2-te Ratsche-Flügelrad "gegenschalten". Energietransfers und Temperaturen gleichen sich aus, aber die netto Arbeit an der Last verbleibt.

  4. Ich kann die Erklärungen von Feynman bzgl. Energien und Bewegungen nicht nachvollziehen. Klappert die Klinke unabhängig vom Zahnrad? Das ist doch keine Ratsche. Sind die Zähne am Rad "unterschnitten" (oder nur "Berge" unterschiedlicher Steigung?) Z.B. ein Zahnrad mit unterschnittenen Zähnen kann die Klinke mal nach oben bewegen helfen, mal herunter drücken. Alles sehr vage bei Feynman, finde ich. Müsste man nicht im Detail das Verhalten von gefesselten brownschen Teilchen genau analysieren (1D, an einer Feder, zwei aneinander, usw).

  5. Eneriebetrachtung
    Die Energieverteilung ist doch zunächt die Amplitudenverteilung. Das sagt doch nichts über Dynamik und zeitliche Häufigkeit der Ereignisse, d.h. der erreichten Energien. Die können unterschiedlich sein, mal für gekoppelte Teilchen (Zahnrad und Klinke), mal entkoppelt, möglicherweise spielt die Form / Flächen, die den Partikelstössen ausgesetzt sind eine Rolle (wurde sicher schon irgendwo behandelt).

  6. Würde eine funktionierende molekulare Ratsche tatsächlich den 2 Haupsatz verletzen?
    • MMn nicht zwingend. Das System wird ja geteilt. Durch die Separierung / Fesselung der brownschen Teilchen wird die Entropie des Systems gesenkt (zu Lasten des Erbauers evtl.?). (ähnlich wie bei Maxwell's Dämon).
    • Wenn ich eine Simulation mache, mit Kollisionen und Kräften mit einer bestimmten Verteilung auf Partikelebene, ist es dennoch eine deterministische Betrachtung der Ratsche, wenn auch mit zufälliger Anregung. Wie kann man den 2-ten Hauptsatz in diesen Zusammenhang bringen?
      Der 2te Hauptsatz bezieht sich ja auf thermodynamische, unumkehrbare, dissipative Prozesse, makroskopische Betrachtung. Die kinetische Gastheorie und statistische Mechanik nicht: newtonsch, umkehrbar, Betrachtung bis hin zu einzelnen Partikel, wenn auch "nur" statistisch, denke ich mal.


Molekulare Ratsche "eingedampft":
Ich nehme an, dass gerichtete brownsche Bewegung für das Thema "Verletzung von 2tem Hauptsatz" ausreichend ist.

  • Bei gleichen Temperaturen können wir gleich Ratsche und Flügelrad im selben Behälter lassen. Die Dämpfungsverluste verbleiben dann im System. (egal ob wir das kinetisch, newton'sch, umkehrbar, oder thermodynamisch, dissipativ, unumkehrbar betrachten)
  • Das Flügelrad und das Zahnrad sind ein brownsches Teilchen. Wir brauchen das Flügelrad nicht explizit, das Zahnrad selbst ist ein brownsches Teilchen. (die Klinke natürlich auch)
  • Die Last lassen wir auch weg.

Wird die Ratsche alleine sich dann gerichtet drehen ? (d.h. im Mittel)
Bitte nicht "nein, weil 2-ter Hauptsatz ......". Eine kinetische /newtonsch-mechanische Lösung ist gefragt.

  • und das Gebilde in Bild 1 (freilauf_rund.png), eine kontinuierlich wirkende Variante ?
  • oder auf einfachst-linear reduziet? (Bild 2 freilauf_keil.png)?
    damit man das evtl. einfacher simulieren oder rechnen kann. (blau: brownsche Kräfte, rot: vermeintliche Bewegung, grün: kleine Vorspannkraft des Keils)
    (wenn der Keil frei ist, statistisch keine Bewegung des "Schlittens"; wenn brownsche Kräfte am Schlitten und Keil zusammen grösser als Keil-Vorspannung, Bewegung in Vorzugsrichtung - mit Reibung.)



freilauf_rund.png
 Beschreibung:
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freilauf_rund.png



freilauf_lin.png
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 Dateigröße:  19.34 KB
 Angeschaut:  2676 mal

freilauf_lin.png


mischmi



Anmeldungsdatum: 20.11.2018
Beiträge: 5

Beitrag mischmi Verfasst am: 03. Sep 2020 13:31    Titel: einer da? Antworten mit Zitat

Hallo
was los!?
kein ja, kein nein, kein vielleicht aber.., zu lang, totaler Blödsinn oder so....
- falsches Forum?

oder ist Feynmans Erklärung zu molekularen Ratsche eine Art "heilige Kuh" der Physik? oder obsolet?

Grüsse
Josse
Gast





Beitrag Josse Verfasst am: 08. Aug 2022 12:39    Titel: Antworten mit Zitat

Ist ein bisschen spät, aber ich beschäftige mich gerade mit dem gleichen Thema, darum hier meine Überlegung dazu:

Die zwangsgeführte Ratsche, wie in deinen Skizzen führt zu den gelichen Problemen, wie die von Feynman. Seine Annahme ist ja, dass bei einem Realen System durch dir Dämpfung Wärme entsteht und so das Gerät erhitzt wird. Das führt dann wieder zu Brownschen Bewegung in der Ratsche usw... Bei dir ist es jetzt ein bisschen anders, aber ein reales Beispiel wäre in deinem Fall ja mit Reibung (und auch Dämpfung bei einem Stoß in Sperrrichtung) verbunden. Ich würde es jetzt ungerne ausrechnen, aber ich vermute, dass du damit zu dem gleichen Ergebnis kommst wie mit Zahnrad und Klinke.
Und wenn ich das richtig verstehe, funktioniert das von dir beschriebene System ja nur mit Reibung (sonst klemmt der Keil ja garnicht).
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