Warum? Ist doch klar, dass bei kleineren Pixeln weniger Licht pro Pixel auftrifft und das Signal entsprechend verstärkt werden muss. [...]
Das Signal ist der Messwert des Lichts. Trifft weniger Licht auf den Sensor, muss es halt verstärkt werden, damit es noch den Helligkeitswert im File hat, den ein "richtig belichtetes" Bild haben sollte.
Beim zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gehts um Entropie. Aber wie Du richtig schreibst, ist ja Licht Energie und wenn ich ein Bild, das 1/4 so viel Licht bekommen hat auf die gleiche Ausgabegröße aufblase, muss ich Energie zuführen. Die zusätzliche Energie kommt vom Monitor, dem Ausbelichter, dem Beamer etc. Aber das geht halt nur, wenn das Signal digital irgendwann entsprechend verstärkt wird, damit es gleich große Helligkeit annimmt. Das kann man entweder bereits in der Kamera machen (ISO hoch) oder am Computer (Helligkeit hochziehen). Die Ergebnisse können unterschiedlich sein (siehe ISO-invariante - wird manchmal getestet).
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Für den fotografischen Prozess werden keine Wärmekraftmaschinen eingesetzt, sondern Informationsverarbeitungsmaschinen. Energie (Akku) wir einzig für den technischen Betrieb der elektronischen Komponenten benötigt und hat nichts mit der Informationsverarbeitung an sich zu tun.
Es muss hier zwischen Energietechnik und Nachrichtentechnik unterschieden werden.
Dass eine Kamera zweckentfremdet auch als Handwärmer eingesetzt werden kann, also wie eine Wärmekraftmaschine, braucht hier nicht weiter betrachtet werden, es geht hier bei der Fotografie ausschließlich um die Informationsverarbeitung der Beleuchtungsstärke auf dem Sensor.
Für die Nichtelektriker unter uns, hier eine Analogie mit Regen(Niederschlag):
Statt der Beleuchtungsstärke auf einem Sensor wird der Niederschlag auf eine Fläche gemessen.
Statt Photonen fallen Wassertropfen in einen zylindrischen Niederschlagsmesser. Nach einen festgelegten Zeitintervall wird der Füllstand abgelesen. Der Durchmesser bzw. die Eintrittsfläche des Niederschlagsmesser ist egal, der Füllstand wird bei gleichem Niederschlag(Regen) immer gleich hoch sein.
Der Füllstandshöhe ist der Messwert – also das „Signal“ das einem AD-Wandler zugeführt wird. Bei einem kleineren Zylinderdurchmesser darf das Signal NICHT verstärkt werden.
Hier für die Elektriker und Physiker unter uns:
Weil die Dicke eines Sensel von der Halbleitertechnologie abhängt und somit für alle Sensoren einer Generation gleich ist, ist die elektrische Kapazität eines Sensel nur proportional der Fläche eines Sensel. Die elektrische Spannung U berechnet sich aus der Ladungsmenge Q und der elektrischen Kapazität C:
Folglich ist die Spannung unabhängig von der Senselgröße. Größere Sensel fangen mehr elektrische Landung ein, haben aber auch eine größere elektrische Kapazität, so dass sich beide Änderungen herauskürzen.
Diese elektrische Spannung ist das Eingangssignal des AD-Wandlers.
Berechnung der elektrische Kapazität eines Plattenkondensators hier nachzulesen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Kapazität
https://de.wikipedia.org/wiki/Plattenkondensator Abschnitt „Kondensatoren auf Siliziumsubstrat“.
Die elektrische Kapazität ist proportional der Fläche (Fläche des Sensels) und umgekehrt proportional der Dicke des Dielektrikums (hier Siliziumdioxid).
Die konkreten Abmessungen hängen natürlich vom Chipdesign und dem Technologiestand ab.