Ludwig Boltzmann Leben und Werk

11.11.2018

Ablauf Biografie Boltzmanns Werk Boltzmann heute aösldfjaslöfj Ablauf Biografie Boltzmanns Wissenschaftliche Kontakte Publikationen Einfluss seines Charakters Werk Stefan-Boltzmann-Gesetz Maxwell-Boltzmann-Verteilung Entropie Boltzmann heute Bedeutung für spätere Generationen Lattice-Boltzmann-Methode 11.11.2018

Biografie Geboren 20.02.1844 in Wien Studium der Physik in Wien Förderung durch Josef Stefan Ernennung zum Professor mit 25 Jahren (Graz) Akademische Tätigkeit in Wien, Graz, München und Leipzig Suizid 1906 in Duino (heute Italien, damals k.u.k.) infolge Depressionen 11.11.2018

Einfluss seines Charakters Geradlinig, direkt und ungestüm Humorvoll, menschenfreundlich und offen Behandelte seine Studenten wie Kollegen Zeigte keinen falschen Respekt Wagte es, gestandenen Physikern zu widersprechen Psychisch labil, starke Stimmungsschwankungen Akkurat und gründlich 11.11.2018

Karriere (1) Die drei Abschnitte seiner Karriere: 1867-1890 aösldfjaslöfj Karriere (1) Die drei Abschnitte seiner Karriere: 1867-1890 Erste Professur in Graz bzw. Wien Zweite Professur in Graz Konzentrierte, zurückgezogene Arbeit Entstehung seiner fundamentalen Arbeiten http://images.google.de/imgres?imgurl=http://www.scientific-web.com/en/Physics/Biographies/images/BoltzmannGroup.jpg&imgrefurl=http://www.scientific-web.com/en/Physics/Biographies/LudwigBoltzmann.html&usg=__WtIDG8B9V9riOHeSaxzSEvukLBI=&h=364&w=560&sz=41&hl=de&start=8&um=1&itbs=1&tbnid=m_OVRjfc4dPZuM:&tbnh=86&tbnw=133&prev=/images%3Fq%3Dboltzmann%26um%3D1%26hl%3Dde%26sa%3DN%26rlz%3D1B2GGGL_deDE202DE202%26tbs%3Disch:1 11.11.2018

aösldfjaslöfj Treffen in Graz 1887 http://www.nernst.de/boltzmann1887.htm (Standing, from the left) Walther Nernst, Franz Streintz, Svante Arrhenius, Hiecke, (sitting, from the left) Aulinger, Albert von Ettingshausen, Ludwig Boltzmann, Ignaz Klemencic, V. Hausmanninger. 11.11.2018

Karriere (2) 1890-1900 Professur in München; zweite Professur in Wien aösldfjaslöfj Karriere (2) 1890-1900 Professur in München; zweite Professur in Wien Internationale Wahrnehmung Tagungen, Reisen und Diskussionen Auf der Höhe seines Ansehens Nicht mehr volle Leistungskraft Neurasthenie: Überlastung durch geistige Tätigkeit wiederkehrende Depressionen Phasen der Euphorie u. Selbstbestätigung http://www.univie.ac.at/bvi/photo-gallery/photo_gallery.htm 11.11.2018

Karriere (3) 1900-1906 Professur in Leipzig und dritte aösldfjaslöfj Karriere (3) 1900-1906 Professur in Leipzig und dritte Wiener Professur geprägt durch seine Krankheit Beschäftigung mit der Philosophie, kaum noch mit der Physik Philosophie macht ihn nicht glücklicher tragischer Selbstmord https://sharepoint.cisat.jmu.edu/isat/klevicca/Web/ISAT453/Web/calculations.htm 11.11.2018

Wissenschaftliche Kontakte aösldfjaslöfj Wissenschaftliche Kontakte Josef Stefan *1835 - †1893 Professor an der Universität Wien Direktor des physikalischen Instituts Stefan-Boltzmann-Gesetz Förderer Ludwig Boltzmanns http://www.fen.bilkent.edu.tr/~butun/pone/pioneers.htm 11.11.2018

aösldfjaslöfj James Clerk Maxwell *1831 - †1879 Maxwell-Gleichungen Kinetische Gastheorie Boltzmann massgeblich von Maxwells Tätigkeit beeinflusst http://hibp.ecse.rpi.edu/~connor/education/Fields/F09/ 11.11.2018

Ernst Mach (Gegner des Atomismus) aösldfjaslöfj Ernst Mach (Gegner des Atomismus) *1838 - †1916 Machzahl Auseinandersetzung mit Boltzmann „Kaum zu übertreffender Experimentator“ http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Ernst-Mach-1900.jpg&filetimestamp=20060416224158 11.11.2018

Wilhelm Ostwald (Gegner des Atomismus) *1853 - †1932 Nobelpreis 1909 für seine Arbeiten auf dem Gebiet der Katalyse Große Debatte mit Boltzmann in Leipzig „Ein Fremdling in dieser Welt, von der Harmlosigkeit und Unerfahrenheit eines Kindes“ 11.11.2018

Max Planck Formulierte S = k*logW *1858 - †1947 aösldfjaslöfj Max Planck *1858 - †1947 Begründer der Quantenphysik Anfangs Gegner des Atomismus Griff im Planckschen Strahlungsgesetz auf Vorstellungen Boltzmanns zurück Formulierte S = k*logW http://www.dhm.de/lemo/objekte/pict/f54_94/index.html 11.11.2018

Publikationen 1866 mechanische Bedeutung des Zweiten Hauptsatzes 1871 Verallgemeinerung der Maxwell-Verteilung (Maxwell- Boltzmann-Verteilung) 1872 Boltzmann‘sche Transportgleichung 1877 Beziehung zwischen dem zweiten Hauptsatz und der Wahrscheinlichkeitsrechnung  S = k ∙ log W 1879 Stefan-Boltzmann-Verteilung 1896 Vermutung über Zusammenhang zwischen Brownscher Bewegung und Entropie 11.11.2018

Ablauf Biografie Boltzmanns Werk Boltzmann heute aösldfjaslöfj Ablauf Biografie Boltzmanns Wissenschaftliche Kontakte Publikationen Einfluss seines Charakters Werk Stefan-Boltzmann-Gesetz Maxwell-Boltzmann-Verteilung Entropie Boltzmann heute Bedeutung für spätere Generationen Lattice-Boltzmann-Methode http://www.g-rmeyer.de/schule/physik/Physlets/Waerme/maxwell.html 11.11.2018

Stefan-Boltzmann-Gesetz aösldfjaslöfj Stefan-Boltzmann-Gesetz Jeder Körper (T > 0 K) sendet Wärmestrahlung Strahlungsleistung für schwarzen Körper P=σ·A·T4 σ=Stefan-Boltzmann-Konstante, A=Oberfläche, T=Temperatur http://klimt.iwr.uni-heidelberg.de/PublicFG/ProjectB/CFT/dipluschimpf/node5.html 11.11.2018

Schwarzer Körper Absorbiert alle einfallende Strahlung aösldfjaslöfj Schwarzer Körper Absorbiert alle einfallende Strahlung Existiert im Alltagsleben nicht Sonne als idealer schwarzer Körper Kirchhoff: Strahlungsabsorption = Strahlungsemission Emissionsgrad ε=1 http://www.filmscanner.info/BilderFM/Hohlraum.gif http://display-magazin.net/editor/topic/5+/5/medium.jpg 11.11.2018

Stefan-Boltzmann-Gesetz aösldfjaslöfj Stefan-Boltzmann-Gesetz Strahlungsleistung für beliebige Körper P=ε(T)·σ·A·T4 ε(T) abhängig von Material, Oberflächenbeschaffenheit, Farbe: je heller/spiegelnder, desto kleiner ist ε 0< ε(T)<1 11.11.2018

Maxwell-Boltzmann-Verteilung aösldfjaslöfj Maxwell-Boltzmann-Verteilung Wichtige Rolle in kinetischer Gastheorie Geschwindigkeiten statistisch verteilt und in zufällige Richtung (brownsche Molekularbewegung) Beschreibt Verteilung der Teilchengeschwindigkeiten eines idealen Gases http://de.academic.ru/pictures/dewiki/66/BrownBew2dim.png 11.11.2018

aösldfjaslöfj - http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Airbags/images/maxwell.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d5/Maxwell-boltzmann-verteilung-abhaengigkeit-masse.PNG 11.11.2018

aösldfjaslöfj Folgerung Regen Wassermoleküle (z.B. im See) besitzen Maxwell-Boltzmann- Verteilung Wenige Moleküle können Wasseroberfläche verlassen (rechte Seite der Verteilung) Verdampfen  Wolken  Regen 11.11.2018

Entropie Häufig als „Unordnung“ erklärt/definiert Irreversible Prozesse erhöhen die Entropie eines Systems (die Unordnung wird grösser) Problematische Definition! (Geordnete) Biomembran hat in Wasser eine höhere Entropie als ihre gelösten Bestandteile Problem: Was ist „Unordnung“? 11.11.2018

Entropie S = k· log(w), w = Multiplizität Neuer Ansatz: aösldfjaslöfj Entropie S = k· log(w), w = Multiplizität Neuer Ansatz: Begriff „Unordnung“ wird ersetzt durch die relative Häufigkeit eines Zustandes Wie muss man sich das vorstellen? http://faculty.washington.edu/mraschke/pchem/images/5/5b/1_3_boltzmannGravestone.jpg 11.11.2018

Entropie Spontane Expansion eines Gases: 11.11.2018

Entropie Nach Boltzmann: aösldfjaslöfj Entropie Nach Boltzmann: Entropie ein Mass für die Wahrscheinlichkeit eines Zustandes Es gibt kein Gesetz, dass die spontane Kompression eines Gases verbietet Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik ist eine rein statistische Aussage! Verstoss ist prinzipiell möglich, aber extrem unwahrscheinlich Für ein Mol Teilchen: 11.11.2018

Ablauf Biografie Boltzmanns Werk Boltzmann heute aösldfjaslöfj Ablauf Biografie Boltzmanns Wissenschaftliche Kontakte Publikationen Einfluss seines Charakters Werk Stefan-Boltzmann-Gesetz Maxwell-Boltzmann-Verteilung Entropie Boltzmann heute Bedeutung für spätere Generationen Lattice-Boltzmann-Methode http://www.g-rmeyer.de/schule/physik/Physlets/Waerme/maxwell.html 11.11.2018

Bedeutung Boltzmanns Begründer der statistischen Physik Hinwendung zur atomaren Perspektive Zusammen mit Maxwell und Gibbs Wegbereiter der Quantenphysik Vorgänge im Mikrobereich statistisch erklären Einstein: „Boltzmann verrichtete hervorragende wissenschaftliche Arbeit.“ 11.11.2018

aösldfjaslöfj Philosophie Naturwissenschaft forderte Philosophie, die ihren Ansprüchen genügte Boltzmann wurde Nachfolger Machs am Lehrstuhl für Naturphilosophie in Wien Principien der Naturfilosofi 1990 veröffentlicht Wandel in der Philosophie von Gewissheit der phys. Erkenntnisse zu neuen Vorstellungen http://www-gewi.uni-graz.at/wissg/LB_OEGW.pdf Seite 9 11.11.2018

Mach und Boltzmann heute Debatte um Existenz der Atome Klassiker der Wissenschaftstheorie Ernst Mach Empirist Zweifelte an Existenz von Atomen Beobachtungsargument Ökonomieprinzip (keine überflüssigen Annahmen) Kontinuitätsprinzip (vgl. schwingender Stab) Ludwig Boltzmann Atome sind unentbehrlich Beschreiben physikalische Grössen des Kontinuums Sieger? 11.11.2018

Boltzmann als Sieger durch spätere Entwicklungen Vor allem durch Methode der Aufnahmetechnik die Atomspuren sichtbar macht Debatte ist Vorgänger zur heutiger Realismusdebatte zur Existenz von Elementarteilchen (z.B. Quarks) Streit zwischen Machianer und Boltzmannianer würde bezüglich von Elementarteilchen wohl unentschieden enden 11.11.2018

Unentschieden – warum? Elementarteilchen sind unbeobachtbar Ökonomieprinzip scheint gegen die Existenz von Elementarteilchen zu sprechen, ebenso das Kontinuitätsprinzip Aber: Wie soll man Bestandteile von Unbeobachtbarem (Atome) beobachten können? Nicht beobachtbar = nicht existent..? Generelles Problem: Machs Argumente scheinen nicht ausreichend zu sein! 11.11.2018

Lattice-Boltzmann-Methode aösldfjaslöfj Lattice-Boltzmann-Methode Entwickelt 1980er Jahre numerische Lösung der Boltzmann-Gleichung Verwendung überwiegend in der Fluiddynamik Grundlage: molekulare Beschreibung eines Fluids Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:X-43A_%28Hyper_-_X%29_Mach_7_computational_fluid_dynamic_%28CFD%29.jpg&filetimestamp=20080616221113 11.11.2018

Lattice-Boltzmann-Methode Prinzip: Man unterteilt den Phasenraum in ein Gitter, die man separat berechnet Simulation auf Teilchenebene (stark vereinfacht) http://thomas-pohl.info/work/lba.html 11.11.2018

Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit Fragen ??? Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit 11.11.2018