Die Geschichte der Thermodynamik ist eine grundlegende Phase in der Geschichte der Physik, Chemie und der Wissenschaftsgeschichte im Allgemeinen. Dieses Konzept ist auch mit technologischen Fortschritten wie der Stromerzeugung und der Nutzung thermischer Energie verbunden.
Die Entwicklung der Thermodynamik ging weiter und setzte sich mit der Atomtheorie fort. Darüber hinaus mobilisierte er mit einem genialen Ansatz neue Richtungen in Wahrscheinlichkeit und Statistik; siehe zum Beispiel die Zeitachse der Thermodynamik.
Was ist Thermodynamik?
Die Thermodynamik ist der Zweig der klassischen Physik, der die thermodynamischen Umwandlungen untersucht und beschreibt, die durch Wärme und Arbeit in einem thermodynamischen System induziert werden.
Diese Umwandlungen sind das Ergebnis thermodynamischer Prozesse, die Änderungen der Zustandsvariablen Temperatur und Energie beinhalten.
Zeitleiste der Thermodynamik
Die Geschichte der Thermodynamik markiert ihre Anfänge im Jahr 1824.
1824 zeigte Sadi Carnot als Erster, dass aus dem Austausch von Wärme zwischen zwei Quellen mit unterschiedlichen Temperaturen Arbeit gewonnen werden kann. Durch den Satz von Carnot und die ideale Maschine von Carnot (basierend auf dem Carnot-Zyklus) quantifizierte er diese Arbeit und führte das Konzept der thermodynamischen Effizienz ein.
1848 führte Lord Kelvin unter Verwendung des Carnot-Motors das Konzept der effektiven thermodynamischen Temperatur ein und ist verantwortlich für eine Aussage über den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.
1850 bewies James Prescott Joule die Gleichheit der beiden Energieformen (damals glaubte man, dass die flüssigen Kalorien noch existierten).
Nachdem dies erreicht war, stellte sich das Problem, dass es nicht möglich gewesen wäre, die Umkehrung zu erhalten, wenn es möglich gewesen wäre, die Gesamtwärme der Arbeit zu erhalten. Clausius kam 1855 zu demselben Ergebnis, als er seine Ungleichung zur Unterscheidung reversibler von irreversiblen Prozessen und den Zustand der Entropiefunktion vorstellte.
1876 veröffentlichte Willard Gibbs die Abhandlung „On the Equilibrium of Heterogeneous Substances“ (Über das Gleichgewicht heterogener Substanzen). In dieser Abhandlung zeigte er, wie ein thermodynamischer Prozess grafisch dargestellt werden kann und wie die Untersuchung von Energie, Entropie, Volumen, Temperatur und Druck auf diese Weise die eventuelle Spontaneität des betrachteten Prozesses vorwegnehmen kann.
Der Fall der Thermodynamik ist sinnbildlich in der Geschichte und in der Erkenntnistheorie der Wissenschaft: Es ist einer jener Fälle, in denen die Praxis der Theorie selbst den Weg bereitet hat: Der erste ist für die Dampfmaschine ausgelegt, dann wurde ihr theoretischer Betrieb durch sie systematisiert Grundprinzipien.
1967 erschienen die ersten Dampfmaschinen. Zu dieser Zeit hatte das Studium der Thermodynamik eine praktische Anwendung in der Industrie, die später die industrielle Revolution auslöste.
Was ist der Ursprung der Thermodynamik?
Alte Zivilisationen betrachteten Hitze als etwas, das mit Feuer verwandt war.
Die alten Ägypter waren der Ansicht, dass Hitze mit mythologischen Ursprüngen zusammenhängt. In der westlichen philosophischen Tradition schlug Empedokles eine Vier-Elemente-Theorie vor, in der alle Substanzen aus Erde, Wasser, Luft und Feuer stammen. Um 500 v. C. argumentierte der griechische Philosoph Heraklit, dass die drei Hauptelemente der Natur Feuer, Erde und Wasser seien.
In der Neuzeit wurde Wärme als Maß für eine unsichtbare Flüssigkeit angesehen, die als Kalorien bekannt ist. Die Körper konnten eine gewisse Menge dieser Flüssigkeit aufnehmen, was zu dem Begriff Wärmekapazität führte.
Die europäischen Wissenschaftler Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei und Santorio Santorio konnten im 16. und 17. Jahrhundert die relative "Kälte" oder "Wärme" der Luft mit einem rudimentären Luftthermometer messen.
Im 18. und 19. Jahrhundert gaben Wissenschaftler die Idee einer physikalischen Kalorik auf und verstanden stattdessen Wärme als Manifestation der inneren Energie eines Systems. Wärme ist heute die Übertragung ungeordneter thermischer Energie.
Die Grundlagen der Atomtheorie
Die Atomtheorie ist eine physikalische Theorie, die davon ausgeht, dass alles auf der Welt aus den kleinsten Teilchen besteht: Atomen, die durch nukleare und elektrische Kräfte zusammengehalten werden. Im 20. Jahrhundert wurde in der Praxis gezeigt, dass ein Atom in noch kleinere subatomare Teilchen zerlegt werden kann.
Atomismus ist ein zentraler Bestandteil der aktuellen Beziehung zwischen Thermodynamik und statistischer Mechanik. Antike Denker wie Leukippos und Demokrit und später die Epikureer legten durch die Weiterentwicklung des Atomismus den Grundstein für die spätere Atomtheorie.
Bis später im 20. Jahrhundert der experimentelle Nachweis von Atomen erbracht wurde, waren Atomtheorie und Atommodelle weitgehend von philosophischen Überlegungen und wissenschaftlicher Intuition getrieben.
Das Konzept der Leere
Der griechische Philosoph Parmenides aus dem 5. Jahrhundert v. Chr. verwendete verbale Argumente, um zu postulieren, dass eine Leere, im Wesentlichen das, was heute als Leere bekannt ist, in der Natur nicht vorkommen könne. Diese Ansicht wurde von Aristoteles 'Argumenten unterstützt, aber von Leukippus und Hero of Alexandria kritisiert .
Von der Antike bis zum Mittelalter wurden verschiedene Argumente vorgebracht, um die Existenz eines Vakuums zu beweisen oder zu widerlegen, und es wurden verschiedene Versuche unternommen, ein Vakuum aufzubauen, aber alle waren erfolglos.
1643 glaubte Galileo Galilei, dass der Abscheu der Natur vor der Leere begrenzt sei. Pumpen in Bergwerken hatten bereits gezeigt, dass die Natur einen Hohlraum nur bis zu einer Höhe von 30 Fuß mit Wasser füllen würde. In Kenntnis dieser merkwürdigen Tatsache ermutigte Galileo seine ehemalige Schülerin Evangelista Torricelli, diese angeblichen Einschränkungen zu untersuchen.
Erscheinen der ersten thermischen Maschinen
Der irische Physiker und Chemiker Robert Boyle baute 1656 in Zusammenarbeit mit dem englischen Wissenschaftler Robert Hooke eine Luftpumpe. Unter Verwendung dieser Pumpe stellten Boyle und Hooke die Druck-Volumen-Korrelation fest: PV = konstant.
Luft wurde damals als ein System von stationären Teilchen angenommen und nicht als ein System von Molekülen in Bewegung interpretiert.
Das Konzept der thermischen Bewegung entstand zwei Jahrhunderte später. Später, nach der Erfindung des Thermometers, konnte die Temperatur des Grundstücks quantifiziert werden. Dieses Werkzeug gab Gay-Lussac die Möglichkeit, sein Gesetz abzuleiten, das kurz darauf zum idealen Gasgesetz führte.
Aber noch vor der Einführung des idealen Gasgesetzes baute ein Boyle-Mitarbeiter namens Denis Papin 1679 einen Knochenkocher, einen geschlossenen Behälter mit einem dicht schließenden Deckel, der den Dampf einschließt, bis ein hoher Druck entsteht.
Spätere Konstruktionen implementierten ein Dampfablassventil, um zu verhindern, dass die Maschine explodiert. Als Papin beobachtete, wie sich das Ventil rhythmisch auf und ab bewegte, kam ihm die Idee eines Kolben- und Zylindermotors, eines Hubkolbenmotors.
Wer hat die Dampfmaschine erfunden?
1697 baute der Ingenieur Thomas Savery die erste Dampfmaschine nach Papins Entwürfen.
Obwohl diese frühen Motoren ineffizient waren, erregten sie die Aufmerksamkeit der führenden Wissenschaftler des Tages. Einer dieser Wissenschaftler war Sadi Carnot, der Vater der Thermodynamik, der 1824 Reflections on the Motive Power of Fire veröffentlichte, einen Diskurs über Wärme, Kraft und Motoreffizienz.
Dies markiert den Beginn der Thermodynamik als moderne Wissenschaft.
In den Folgejahren wurden weitere Variationen von Dampfmaschinen gebaut, wie die Newcomen Engine und später die Watt Engine.
Im Laufe der Zeit wurden diese frühen Motoren schließlich anstelle von Pferdestärken verwendet. Daher wurde jedem Motor eine bestimmte Menge an "Pferdestärken" zugeordnet, je nachdem, wie viele Pferde er ersetzt hatte.
Das Hauptproblem bei diesen frühen Motoren war, dass sie langsam und schwerfällig waren und weniger als 2 % des eingesetzten fossilen Brennstoffs, normalerweise Kohle, in nützliche Arbeit umwandelten. Daher wurde die Notwendigkeit für eine neue Wissenschaft der Motordynamik geboren.
Nutzung der Thermodynamik in der Solarenergie
Die Geschichte der Thermodynamik spielt eine grundlegende Rolle auf dem Gebiet der Solarenergie und insbesondere der Solarthermie. Die Nutzung der Sonnenstrahlung zur Gewinnung von Wärme begann in der Antike. Primitive Kulturen benutzten es, ohne sich dessen bewusst zu sein.
Später haben verschiedene Zivilisationen ihre Architektur entwickelt, um Sonnenwärme auf effiziente Weise zu nutzen, wie in der Geschichte der Sonnenenergie beschrieben. Dies wird heute als passive Solarenergie bezeichnet.
Um 1767 hatte Horace Bénédict De Saussure den Sonnenkollektor erfunden. Dieser neue Sonnenkollektor hat die Geschichte der Sonnenenergie und die Entwicklung der Niedertemperatur-Solarthermie entscheidend geprägt. Der Sonnenkollektor nutzt die thermodynamische Physik, um Wärmeübertragungen und thermodynamische Umwandlungen durchzuführen.
Auf diese Weise begannen die Gesetze der Thermodynamik eine grundlegende Rolle bei der Entwicklung erneuerbarer Energien, insbesondere der Solarenergie, zu spielen.
