Ludwig Boltzmann Leben und Werk.

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1 Ludwig Boltzmann Leben und Werk

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3 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

4 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

5 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

6 Karriere (1) Die drei Abschnitte seiner Karriere: 1867-1890
aösldfjaslöfj Karriere (1) Die drei Abschnitte seiner Karriere: Erste Professur in Graz bzw. Wien Zweite Professur in Graz Konzentrierte, zurückgezogene Arbeit Entstehung seiner fundamentalen Arbeiten

7 aösldfjaslöfj Treffen in Graz 1887 (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.

8 Karriere (2) 1890-1900 Professur in München; zweite Professur in Wien
aösldfjaslöfj Karriere (2) 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

9 Karriere (3) 1900-1906 Professur in Leipzig und dritte
aösldfjaslöfj Karriere (3) 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

10 Wissenschaftliche Kontakte
aösldfjaslöfj Wissenschaftliche Kontakte Josef Stefan * †1893 Professor an der Universität Wien Direktor des physikalischen Instituts Stefan-Boltzmann-Gesetz Förderer Ludwig Boltzmanns

11 aösldfjaslöfj James Clerk Maxwell * †1879 Maxwell-Gleichungen Kinetische Gastheorie Boltzmann massgeblich von Maxwells Tätigkeit beeinflusst

12 Ernst Mach (Gegner des Atomismus)
aösldfjaslöfj Ernst Mach (Gegner des Atomismus) * †1916 Machzahl Auseinandersetzung mit Boltzmann „Kaum zu übertreffender Experimentator“

13 Wilhelm Ostwald (Gegner des Atomismus)
* †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“

14 Max Planck Formulierte S = k*logW *1858 - †1947
aösldfjaslöfj Max Planck * †1947 Begründer der Quantenphysik Anfangs Gegner des Atomismus Griff im Planckschen Strahlungsgesetz auf Vorstellungen Boltzmanns zurück Formulierte S = k*logW

15 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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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

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

23 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“?

24 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?

25 Entropie Spontane Expansion eines Gases:

26 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:

27 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

28 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.“

29 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 Seite 9

30 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?

31 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

32 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!

33 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:

34 Lattice-Boltzmann-Methode
Prinzip: Man unterteilt den Phasenraum in ein Gitter, die man separat berechnet Simulation auf Teilchenebene (stark vereinfacht)

35 Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit
Fragen ??? Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit