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"Trinkende Ente" - physikalische Erklärung

Die trinkende Ente ist ein Standard-Schauversuch der Physik, dessen Uranfänge bis zu Einstein zurückreichen. Auch Sie werden der Trinkente schon einmal im Physikunterricht begegnet sein, aber haben Sie die physikalischen Gesetze dahinter auch wirklich verstanden?

Welche Physikregeln verbergen sich in der Trinkente?
Welche Physikregeln verbergen sich in der Trinkente?

Versuchsaufbau des trinkenden Vogels

  • Wer den Versuch Trinkente durchführen möchte, der braucht dazu vor allem einen gläsernen Hohlkörper mit Hals und Bauch, wobei das obere Ende zu einem Entenkopf mit Schnabel wird, während das untere Ende des Glasröhrenhalses in den Bauch hinab ragt.
  • Im Entenbauch muss sich nun eine Flüssigkeit befinden, die einen besonders niedrigen Siedepunkt aufweist. Meist wird hierbei Ether verwendet, weil der organische Flüssigstoff die geforderten Eigenschaften besonders gut erfüllt. Die gläserne Halsröhre sollte schließlich bis in den Ether hinein reichen.
  • Besonders wichtig ist es für den Versuch, den Vogel auf einem Gestell zu befestigen, das es ihm ermöglicht, nach vorne über zu kippen. Dazu muss eine Drehachse über dem Entenbauch vorhanden sein, über die der Körper schließlich kippen kann.
  • Vor die Ente stellt man nun ein Wasserglas, wobei der Vogel mit dem Schnabel das Wasser berührt, wenn er nur weit genug nach vorne kippt. Jene Versuchsanordnung führt dazu, dass die Ente in unaufhörliches Nicken gerät. Solange sich genügend Wasser im Glas befindet, wird der Vogel mit dem Nicken scheinbar niemals wieder aufhören.

Die Physik hinter der Trinkente

In der Trinkente finden gleich mehrere Prozesse statt, deren Summe schließlich dazu führt, dass der Vogel zu einer Art nickendem Perpetuum mobile wird.

  1. Ein erster Prozess ist für Sie schon durch das bloße Auge wahrnehmbar. So steigt die Ethersäule im Glashals der Ente an. Das Phänomen, das sich dahinter verbirgt, ist die Verdunstung. So verdunstet der Ether bei Raumtemperatur und im Entenbauch steigt der Druck, sodass der Ether mit der Zeit immer höher in den Hals gedrückt wird.
  2. Dass der Vogel schließlich zu nicken beginnt, hat mit der darauf folgenden Schwerpunktverlagerung zu tun. So liegt der Schwerpunkt im Ausgangszustand unter der Drehachse, nun aber verrutscht er nach oben und der Vogel nickt nach vorne, bis er auf das Wasser stößt. Sein Schnabel wird dabei feucht bis nass und es kommt erneut zum Phänomen der Verdunstung.
  3. Durch die Verdunstung am Schnabel wird dem gläsernen Vogelkopf Wärme entzogen. Das wiederum führt zu einer Kondensierung des Ethers in genau jenem Bereich, wodurch wiederum der Druck zu steigen beginnt.
  4. Unten hat sich das gläserne Vogelhalsröhrchen durch die Kippbewegung bereits aus dem Ether hinaus bewegt. Der steigende Druck kann demnach ausgeglichen werden, weil das Röhrchen nach unten ja offen ist. Kalter Ether fließt nun durch das Halsröhrchen also in den Glasbauch der Ente ab, sodass sie wieder in ihre Ausgangsposition zurückkehrt.
  • Das Nicken setzt sich auf beschriebenem Wege scheinbar unendlich fort, weil sie ihren Antrieb über die Wärme der Umgebung realisiert. Die Umgebungswärme wird also als Antriebsenergie genutzt. Tatsache aber ist, dass es sich bei der trinkenden Ente nicht um ein wahrhaftiges Perpetuum mobile handelt. Warum, das lässt sich über einen Anschlussversuch veranschaulichen.
  • Die Trinkente nutzt den thermodynamischen zweiten Hauptsatz für sich: Sie gewinnt ihre Energie aus der steigenden Entropie, soll heißen aus dem steigenden Phasenraumvolumen, das die Verdunstung des Wassers zur Folge hat. Der Anstieg des Phasenraumvolumens ist jedoch nicht unbegrenzt. Wird das System geschlossen, so wird auch das Phasenraumvolumen begrenzt und die Nickente wird bald aufhören zu nicken, weil der Phasenraum sich nicht mehr vergrößern kann und die Energiegewinnung zum Ende kommt.
  • Sie können jene Tatsache belegen, indem Sie eine Glasglocke über den Vogel und das Wasserglas stülpen. In diesem abgeschlossenen Raum erreicht die Luftfeuchtigkeit mit der Zeit einen Wert von 100 Prozent, die Verdunstung hört auf und mit ihr das Nicken der trinkenden Ente. Befreien Sie den Vogel wieder, wird er jedoch wieder problemlos nicken können.
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