LV005:LV-Uebersicht/Materialien/Simulation Molekularbewegung

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Inhaltsverzeichnis

Simulation Molekularbewegung

Im folgenden Video bewegen sich eine große Anzahl von Pucks auf einem Airtable. Der Versuch simuliert ein zweidimensionales Gas. Die einzelnen Pucks stellen die Moleküle des Gases dar und wechselwirken über elastische Stöße miteinander. Die vibrierenden Wände (im Video nicht sichtbar) halten das Gas auf einer bestimmten "Temperatur".

In der Mitte des Airtables befindet sich anfänglich eine Trennwand, die nach einiger Zeit entfernt wird. Durch die Stöße zwischen den Pucks breitet sich das "Gas" anschließend über den gesamten Airtable aus. Die Stöße zwischen den "Molekülen" des "Gases" sind elastisch. Für das Gesamtsystem gilt die Erhaltung des Gesamtimpulses und die Erhaltung der Gesamtenergie. Nach der Enfernung der Trennwand beobachtet man wie sich das "Gas" gleichmäßig über das gesamte Volumen verteilt.

Beobachtet man die Pucks eine Weile, so stellt man fest, dass sie immer annähernd gleichverteilt über das ganze Volumen sind. Es wird nicht passieren, dass sich alle Pucks für einen Moment in nur einer Hälfte des Airtables befinden. Die Rückkehr in die Ausgangssituation ist physikalisch aber keineswegs unmöglich. Dies veranschaulicht das zweite Video. Das zweite Video zeigt denselben Versuch in umgekehrter Zeitrichtung. Auch beim zeitlichen Rückwertslauf bleiben alle physikalischen Gesetze erfüllt. Die Stoßprozesse zwischen den Pucks sind zeitlich umkehrbar. Sie können in der Zeit sowohl vorwärts also auch rückwärts ablaufen. Der Impuls und die Energie bleiben jeweils erhalten.

Angenommen, derselbe Versuch würde mit nur drei Pucks durchgeführt werden. Nach Entfernung der Trennwand verteilen sich die Pucks wieder im gesamten Raum. Nach einiger Zeit kann man aber beobachten wie sich alle drei Pucks für einen Moment in nur einer Hälfte des Airtables befinden. Auch im Versuch mit den vielen Pucks ist diese Situation denkbar, nur müßte man sehr, sehr lange warten bis sie auch wirklich eintritt. Je mehr Pucks vorhanden sind, desto größer wird die Zeitspanne, die man abwarten müßte, bis das System wieder den anfänglichen Zustand durchläuft.

Die Anzahl der Moleküle in einem realen Gas liegt in der Größenordnung von 1023 Teilchen. Die Zeitspanne, die vergehen müßte bis sich das Gas wieder auf kleinerem Volumen ansammelt, ist außerordentlich groß.

Es ist also das kollektive Verhalten, das auf eine ausgezeichnete Zeitrichtung hinweist. Das mikroskopische Verhalten der Moleküle (die Stoßprozesse zwischen den einzelnen Molekülen) ist aber zeitlich umkehrbar. Betrachtet man das Gas makroskopisch (das kollektive Verhalten) dann wird eine ausgezeichnete Zeitrichtung beobachtet.

Versuchsdurchführung (VIDEO)

Diffusion I (Speed:2x)

Diffusion I (Speed:2x, Reverse)

Probleme bei der Videobetrachtung [1]


Weitere Videos am Air Table:


Weitere Materialien / Links

Zusatzmaterial: Über die Richtung der Zeit

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