Geschichte der Thermodynamik Kurzer historischer Abriss Seminar: Didaktik der Physik Univ.-Doz. Mag. Dr. Emmerich Kneringer Präsentation: Nadia Borghi, 23.10.06, WS.2006/2007

Inhaltsangaben Feuervorstellung in der Antike Phlogiston-Caloricumtheorie Kinetische Theorie 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz) Kalorienermittlung im Schulversuch Kinetische Gastheorie 2. Hauptsatz der Thermodynamik Mikroskopische Theorie 3. Hauptsatz der Thermodynamik

Nichtgleichgewichts- 1798 19. Jh. Ende 19. Jh. 500 v. Chr. 17. Jh. 18. Jh. 1848 1824 1906 20. Jh. Praxis Heraklit Phlogiston Caloricumth. Mikroskop. Th. Stat. Mechanik Allg. Energiesatz Chemie Oxidationsth. 2. HS der Thermodyn. Nichtgleichgewichts- Systeme, Chaos, Dynamik Kanonenrohrexp. Thompson Kin. Theorie 3. HS der Thermodyn. Kin. Gastheorie

Antike: Empedokles, Heraklid Keine Wissenschaft von der Wärme! Nur Augenschein und unmittelbare Praxis Kenntnisse von Wärmeerscheinungen werden in der Praxis angewendet (Feuerschmieden von Metallen,...) Empedokles (494 v.Chr bis 482 v.Chr.) Philosoph, Arzt, Politiker und Dichter im antiken Griechenland Setzt vier Elemente voraus (Erde, Wasser, Luft und Feuer), aus denen die Welt besteht. Heraklit (ca. 540 v.Chr bis ca. 480 v.Chr) Bei Heraklit sind die vier Elemente ineinander übergehende Formen des Feuers. Durch Eindringen von Feuer werden die Körper wärmer, manchmal auch flüssig oder luftartig.

Phlogiston-Caloricumtheorie Georg Ernst Stahl, Joseph Black

Chemiker und Mediziner Professor in Halle Georg Ernst Stahl 1660-1734 Chemiker und Mediziner Professor in Halle Leibarzt des Königs von Preußen Joseph Black 1728-1799 In Frankreich geboren Lehre in Edinburgh Experimentelle Arbeiten zur Wärme mit folgenden Ergebnissen: Wärme ist nicht Temperatur Wärme = Substanz

Phlogiston - bzw. Caloricumtheorie Die Phlogiston-Theorie wurde, durch den Chemiker Georg Ernst Stahl zu Beginn des 18.Jh. ausgearbeitet. Phlogiston (griechisch phlogistós – verbrannt) oder Caloricum ist eine hypothetische Substanz, von der man im späten 17. und 18. Jh. glaubte, dass sie allen brennbaren Körpern bei der Verbrennung entweicht sowie bei Erwärmung in sie eindringt. Phlogiston ist ein Bestandteil von Materie, der bei Umwandlungen wie Verbrennung oder Verrostung entweicht, die Asche oder den Rost zurücklässt und keine oder eine negative Masse hat. Wenn ein Körper erwärmt wird, dringt Phlogiston in ihn ein und der Körper dehnt sich aus. Wenn man ihn zusammenpresst, wird Phlogiston herausgedrückt und dringt in umliegende Materie ein. Es wurde dadurch Wärme an einem benachbarten Körper spürbar.

Vorteile der Phlogistontheorie Die Phlogistontheorie konnte einige Phänomene der Verbrennung recht gut erklären. Holz brennt, weil Bäume Phlogiston aus der Luft aufnehmen Eine Kerze erlischt im abgeschlossenen Container, weil Luft nur eine bestimmte Menge Phlogiston, das von der brennenden Kerze abgegeben wird aufnehmen kann. Joseph Priestley: Sauerstoff ("dephlogestierte Luft") ist besonders reaktionsfreudig, weil er weniger Phlogiston als normale Luft enthält und somit mehr aufnehmen kann.

Erklärungsschwierigkeiten Nach der Entdeckung des Wasserstoffs durch Henry Cavendish und des Sauerstoffs durch Joseph Priestley und Carl Wilhelm Scheele, stellte man fest, dass diese beiden Substanzen bei der Verbrennung zu Wasser wurden und kein Phlogiston freisetzten, was der Theorie den ersten schweren Schlag versetzte. Ablösung durch die Oxidationstheorie Die Phlogiston-Theorie wurde Ende des 18. Jahrhunderts durch den Chemiker Antoine Lavoisier durch die Oxidationstheorie abgelöst. Er untersuchte die Gewichtsveränderung verschiedener Stoffe bei Oxidation und bemerkte, dass das gerade entdeckte Element Sauerstoff dabei die entscheidende Rolle spielt. Er wies nach, dass: beim Verbrennen von Metallen oder Schwefel so viel Sauerstoff verbraucht wird, wie in den entstandenen Oxiden enthalten ist, man, um Metalle aus den Oxiden wiederzugewinnen, nicht Phlogiston hinzufügen, sondern den Sauerstoff entfernen muss.

Kinetische Wärmetheorie Benjamin Thompson

Graf Rumford alias Benjamin Thompson 1753 in Amerika geboren Berater des bayrischen Königs Leiter des Militärarsenals Zweifel an Caloricumtheorie 1814 gestorben

Kanonenrohrexperiment, München, 1798 Stumpfe Stahlbohrer laufen im Inneren von Kanonenrohren => Rohre glühend heiß und Kühlungswasser siedend Geht Wärmestoff zur Neige?

Neuer Ansatz: Wärme und Energie Kinetische Theorie Umwandlung von Arbeit in Wärme Wärme als Bewegung Gleichheit von Wärme und mechanischer Energie

1. Hauptsatz der Thermodynamik Energieerhaltungssatz Robert Mayer, James Joule, Hermann von Helmholtz

Julius Robert Mayer 1814-1878 Schiffsarzt Postulierte als erster den Energie-erhaltungssatz Wärme und Arbeit sind äquivalent 1850 Selbstmordversuch

Versuch zur Umwandlung von potentieller Energie in Wärme von Robert Mayer Wandelt potentielle Energie in Wärme um Bestimmt quantitativen Zusammenhang Ein Wassertropfen muss von 365 m Höhe herabfallen um sich um 1°C zu erwärmen

James Prescott Joule 1818-1889 Englischer Bierbrauer Zusammenhang zwischen mechanischer Arbeit und Erwärmung Ihm zu Ehren Einheit der Energie „Joule“

Versuchsanordnung „Rührexperiment“ Absinkende Gewichtsstücke setzen ein Rührwerk in Rotation Temperaturerhöhung festgestellt Zusammenhang zwischen potentieller Energie und innerer Energie

Versuchsdaten 2 Massenstücke (je ca. 13kg) Sinken um Strecke von 1.6m 20-fache Wiederholung => Temperaturerhöhung des Wassers Damit sich ein Pfund Wasser um ein Fahrenheit erwärmt muss eine Masse von 772 Pfund um 1 Fuß abgesenkt werden.

Daten in unserem Maßsystem Um 1 kg Wasser um 1° Celsius zu erwärmen, wird eine Energiemenge ΔQ = 4,19 kJ benötigt. ΔQ = cW · m · ΔJ ΔQ … zugeführte Wärmemenge cW … 4.19kJ/(kg .k), spezifische Wärmekapazität von Wasser m… Masse der erwärmten Wassermenge ΔJ … Temperaturänderung in Kelvin

Kalorienermittlung im Schulversuch Eine Kalorie entspricht der Menge an Energie, die notwendig ist, um ein Gramm Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen. Begriff Kalorie (vom lateinischen calor = Wärme). Der Grundumsatz (die Energiemenge, die der Körper pro Tag bei völliger Ruhe zur Aufrechterhaltung seiner Funktionen benötigt) eines Menschen liegt zwischen 1500 und 1700 Kcal. Schließlich muss die Temperatur unseres Körpers unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant etwa 37°C betragen, und lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Verdauung oder der Herzschlag zu erhalten. Wie aber kann man überhaupt ermitteln, wie viele Kalorien ein Lebensmittel hat? Hierzu benötigt man ein sogenanntes Kalorimeter, das die Energie in Form von Wärme (calor = Wärme) misst (was der Wortteil „meter“ besagt).

Versuch: Kalorienbestimmung Kalorien einer WALNUSS MHalbe Walnuss = 2g Wassertemperatur zu Beginn des Versuchs: 20° Celsius Wassertemperatur nach Experiment: 64° Celsius Temperaturdifferenz: 44° Celsius mWasser : 100 g (=100 ml) Kalorien = 100 g x 44° C = 4400 = 4,4 Kilokalorien Kalorien/g = 4,4 Kilokalorien / 2g = 2200 Kalorien/g = 2,2 Kilokalorien/g Kalorien/100g = 100 x 2,2 Kcal = 220 Kcal/100g = ca. 920kJ Die Temperatur zu Versuchsbeginn beträgt in unserem Beispiel 20° Celsius. Es sind auch andere Anfangstemperaturen möglich. Wichtig ist, dass die Anfangstemperatur des Wassers in etwa der Umgebungstemperatur entspricht, da sonst das Wasser in der Dose schon von der Umgebungstemperatur erwärmt oder abgekühlt werden kann.

Allgemeiner Energiesatz 1848 Formulierung durch deutschen Physiker Helmholtz (1821-1894): In einem abgeschlossenen System bleibt die vorhandene Gesamtenergie erhalten => Unmöglichkeit des Perpetuum Mobile

1. Hauptsatz der Thermodynamik Mayer, Joule, Helmholtz Historische Formulierung: Wärme ist eine Energieform. Energie (Arbeitsfähigkeit) lässt sich nur in verschiedene äußere Formen umwandeln, aber nicht aus nichts erschaffen noch zerstören. Formel: U … innere Energie W … Arbeit . Q … Wärme .

Kinetische Gastheorie James Maxwell, Rudolf Clausius

Rudolf Clausius (1822-1888) Deutscher Physiker und Mathematiker Energieerhaltungssatz nicht ausreichend Wärme fließt von wärmeren zu kälteren Körpern aber nicht umgekehrt

2 Grundsätze von J. Clausius Die Energie des Universums ist konstant Die Entropie des Universums neigt in Richtung zu einem Maximum

Entropie Neu formulierte Größe Beschreibt (wie Druck, Energie und Temperatur) den Zustand eines Gases Annahme: Gase bestehen aus einzelnen Atomen Stoßen elastisch aneinander

2. Hauptsatz der Thermodynamik Sadi Carnot

2. Hauptsatz der Thermodynamik (1824) Sadi Carnot (1796-1832) Geboren in Paris Caloricumtheorie Tod mit 36 durch Cholera

Historische Formulierung Formel Die Arbeitsleistung einer Wärmekraftmaschine, deren Antriebsteile in regelmäßiger Abfolge immer wieder die gleiche Stellung einnehmen, ist stets mit einem Wärmeübergang von höherer auf tiefere Temperatur verknüpft. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass es eine Zustandsgröße Entropie S gibt, die in einem abgeschlossenen System niemals abnimmt. Für die Änderung der Entropie dS gilt also: Aus dem Ansatz für die differenzielle Änderungen der Entropie und dem ersten HS folgt (δW = − pdV):

Mikroskopische Theorie Boltzmann Mikroskopische Erklärung der Entropie

Ludwig Boltzmann 1844-1906 Mitbegründer der kinetischen Gastheorie In Wien geboren Studium der Physik und Mathematik Professor für Experimentalphysik in Graz und Wien

Mikroskopische Erklärung der Entropie Mögliche Orte der Gasteilchen werden in einzelne Zellen aufgeteilt Boltzmannfaktor als universelle Konstante Wahrscheinlichkeit für Ordnung verschwindend klein

Boltzmann Begründer der statistischen Mechanik Beziehung zw. Entropie und thermodynamischer Wahrscheinlichkeit verband die Thermodynamik mit der statistischen Mechanik Resultat: Entropie proportional dem Logarithmus der thermodynamischen Wahrscheinlichkeit Max Planck : S = k log W. S … Zahlenwert der Entropie W … Anzahl der Zustände k ist eine universelle Konstante. Diese wurde von Einstein als "Boltzmann-Konstante" bezeichnet.

3. Hauptsatz der Thermodynamik 1906 Walter Nernst

Walter Nernst 1864-1941 Lehre in Göttingen 1920 Nobelpreis für Chemie

3. Hauptsatz der Thermodynamik Nernstsches Wärmetheorem Die Entropie strebt bei Näherungen an den absoluten Nullpunkt ebenfalls dem Wert Null zu => Der absolute Nullpunkt kann nicht erreicht werden

Nichtgleichgewichtssysteme, Statistik, Chaos Ergänzung/Ausblick Nichtgleichgewichtssysteme, Statistik, Chaos

Statistische Mechanik Josiah Gibbs (1839-1903)

Josiah Gibbs geboren in New Haven (USA) 1762 war an den Unis von Paris, Berlin, Heidelberg und Yale starb 1839 führt Begriff statistische Mechanik ein Mechanik Thermodynamik Statistische Mechanik Quantenstatistik

Nichtgleichgewichtssysteme, Chaos, Dynamik Ilya Prigogine (1917-2003)

Ilya Prigogine 1917-2003 geboren in Russland während der Revolution Flucht nach Deutschland, dann Belgien und USA Nicht-Gleichgewichts-Thermodynamik Anwendung auf Biologie 1977 Nobelpreis „Gesetze des Chaos“