Wir machen eine Reise durch die Geschichte der Thermodynamik, dem Teil der Physik, der Wärme, Energie und deren Umwandlung untersucht.
Um zu verstehen, wie wir so viel über dieses Thema erfahren haben, ist es wichtig, die großen Köpfe zu treffen, die wichtige Entdeckungen gemacht haben.
Wir werden über die bedeutendsten Wissenschaftler der Thermodynamik, ihr Leben, einige Kuriositäten und die grundlegende Rolle sprechen, die sie in der Entwicklung dieser Wissenschaft spielten.
Sadi Carnot (1796-1832) – Der Vater der Thermodynamik
Beginnen wir mit einem der bedeutendsten, dem Franzosen Sadi Carnot .
Carnot gilt als einer der Pioniere der Thermodynamik, obwohl er die vollständige Entwicklung dieser Wissenschaft nicht miterlebte, da er jung im Alter von 36 Jahren an Cholera starb. Carnot wurde in Paris in eine Familie mit starken politischen und wissenschaftlichen Beziehungen hineingeboren, die es ihm ermöglichten, an den besten Institutionen seiner Zeit zu studieren, beispielsweise an der Pariser Polytechnischen Schule.
Was Carnot so wichtig macht, ist, dass er als erster verstand, wie Wärmekraftmaschinen funktionieren, also solche, die Wärme in Arbeit umwandeln.
In seinem berühmten Buch „Reflections on the Motive Power of Fire“ (1824) schlug er vor, dass Dampfmaschinen ohne einen Temperaturunterschied zwischen einer heißen und einer kalten Quelle nicht funktionieren könnten. Grundsätzlich benötigte die Dampfmaschine einen „Wärmestrom“ von heiß nach kalt, um nützliche Arbeit zu leisten.
Darüber hinaus führte Carnot das Konzept des „Carnot-Zyklus“ ein, einen theoretischen Zyklus, der beschrieb, wie eine möglichst effiziente Wärmekraftmaschine betrieben werden kann.
Eine merkwürdige Tatsache an Carnot ist, dass er zu seiner Zeit nie voll geschätzt wurde. Tatsächlich starb er anonym und erst Jahre später wurden seine Ideen vollständig anerkannt und verstanden.
Er war eher ein Visionär, der, obwohl er jung starb, Spuren hinterließ, die den Lauf der Physik verändern sollten.
James Prescott Joule (1818-1889) – Der Mann der Energie
Wenden wir uns nun einem bekannten Namen zu: James Prescott Joule , einem englischen Physiker, der in eine wohlhabende Familie hineingeboren wurde.
Die Familie Joule besaß eine Brauerei, doch schon in jungen Jahren erwies sich James eher als Mann der Wissenschaft denn als Bierliebhaber. Ihm wird der berühmte Energieerhaltungssatz zugeschrieben, ein grundlegender Bestandteil der Thermodynamik.
Joule führte Experimente durch, in denen er zeigte, dass mechanische Energie und Wärme zusammenhängen , sich also ineinander umwandeln lassen. Diese Entdeckung führte zur Formulierung des ersten Prinzips der Thermodynamik, das besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört, sondern nur umgewandelt wird.
Er tat dies, indem er recht rudimentäre, aber geniale Experimente durchführte, wie zum Beispiel das berühmte Wassermühlen-Experiment, bei dem er die Wärme maß, die beim Rühren von Wasser mit einem System aus Gewichten und Flaschenzügen erzeugt wurde.
Das Merkwürdige an Joule ist, dass er, obwohl er so wichtige Experimente durchgeführt hatte, kein formaler akademischer Wissenschaftler war. Joule arbeitete an keiner Universität, sondern war Autodidakt und finanzierte seine Experimente selbst und baute sogar seine eigene Laborausrüstung.
Darüber hinaus liebte er die Wissenschaft so sehr, dass er im Urlaub in den Alpen sogar die Wassertemperatur maß.
Rudolf Clausius (1822-1888) – Der Herr der Entropie
Ein weiterer wesentlicher Name in der Geschichte der Thermodynamik ist der deutsche Physiker Rudolf Clausius .
Wir verdanken Clausius das Konzept der Entropie , ein Wort, das Sie wahrscheinlich im Physik- oder Chemieunterricht gehört haben. Er wurde in einer Kleinstadt im heutigen Polen geboren, studierte aber in Berlin und lehrte später an deutschen Universitäten.
Im Jahr 1850 formulierte Clausius die Ideen von Carnot und Joule neu und schlug das zweite Prinzip der Thermodynamik vor , das besagt, dass in jedem natürlichen Prozess die Entropie des Universums immer zunimmt. Vereinfacht ausgedrückt ist die Entropie ein Maß für die Unordnung: Je mehr Entropie, desto chaotischer ist ein System.
Clausius erkannte, dass Energie zwar erhalten bleibt (erstes Prinzip der Thermodynamik), sich jedoch die Qualität dieser Energie ändert und immer ein Teil als nicht nutzbare Wärme „verloren“ geht.
Clausius spielte auch eine wichtige Rolle bei der Vereinheitlichung des Studiums der Wärme mit der Elektrizität und der kinetischen Theorie der Gase. Tatsächlich war er ein wichtiger Befürworter der Atomtheorie, als diese noch umstritten war.
William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907) – Der Mann der extremen Kälte
Lassen Sie uns nun über einen britischen Wissenschaftler sprechen, der praktisch eine Legende ist: William Thomson , besser bekannt als Lord Kelvin . Sicherlich haben Sie schon einmal von Grad Kelvin gehört, der gleichnamigen Maßeinheit für die Temperatur. Nun, Lord Kelvin war einer der größten Physiker seiner Zeit und trug viel zur Thermodynamik bei.
Kelvin war einer der ersten, der eine absolute Temperaturskala etablierte , die wir heute als Kelvin-Skala kennen. Auf dieser Skala ist der absolute Nullpunkt (-273,15 °C) die niedrigste mögliche Temperatur, bei der die Moleküle keine kinetische Energie haben und alles zum Stillstand kommt.
Das war ein Meilenstein, denn bis dahin waren alle Temperaturskalen relativ, etwa Grad Celsius oder Fahrenheit.
Darüber hinaus arbeitete Kelvin mit Joule im berühmten Joule-Thomson-Experiment zusammen, bei dem sie zeigten, dass die Temperatur eines Gases sinkt, wenn es sich ausdehnt, ohne Arbeit zu verrichten. Dies ist ein Schlüsselphänomen, um zu verstehen, wie Gase gekühlt und damit moderne Kühlsysteme geschaffen werden können.
Kurioserweise hatte Kelvin eine Leidenschaft für Unterseekabel und half bei der Installation des ersten transatlantischen Telegrafenkabels, das eine sofortige Kommunikation zwischen Europa und Amerika ermöglichte.
Er war nicht nur ein Theoretiker, sondern er wandte seine physikalischen Kenntnisse gern in die praktische Technik und Technik ein.
Ludwig Boltzmann (1844-1906) – Der Statistiker der Atome
Kommen wir nun zu einer sehr interessanten und für viele tragischen Figur: dem österreichischen Physiker Ludwig Boltzmann .
Boltzmann gilt als Begründer der statistischen Mechanik , einer Theorie, die erklärt, wie makroskopische Eigenschaften von Systemen wie Temperatur und Druck aus der Wechselwirkung vieler einzelner Teilchen entstehen.
Boltzmann war einer der ersten, der die Idee verteidigte, dass Materie aus Atomen und Molekülen besteht, etwas, das wir heute als selbstverständlich betrachten, das aber zu seiner Zeit heftig diskutiert wurde.
Mit dieser Idee konnte er den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik anhand der Wahrscheinlichkeit erklären: Systeme neigen zur Unordnung (Erhöhung ihrer Entropie), weil es statistisch gesehen wahrscheinlicher ist, dass Teilchen ungeordnet als geordnet verteilt sind.
Leider hatte Boltzmann ein schwieriges Privatleben. Trotz seiner brillanten Beiträge zur Physik wurde er von einigen seiner Kollegen heftig kritisiert, die die Idee der Atome nicht akzeptierten.
Dieser Druck und andere persönliche Probleme führten dazu, dass er 1906 Selbstmord beging. Heute gilt Boltzmann als einer der Väter der modernen Physik, und seine Gleichung S=k⋅lnW, die Entropie und Wahrscheinlichkeit in Beziehung setzt, ist eingraviert auf seinem Grabstein.
Josiah Willard Gibbs (1839-1903) – Der Meister der freien Energie
Als nächstes steht auf unserer Liste der Amerikaner Josiah Willard Gibbs , ein Wissenschaftler, der ein Genie in Mathematik und Physik war, aber ein recht ruhiges Leben ohne viele Exzentrizitäten führte.
Gibbs war zu seiner Zeit nicht so berühmt, teilweise weil seine Arbeit so abstrakt war, aber seine Ideen sind grundlegend für die moderne Thermodynamik und Chemie.
Gibbs führte das Konzept der freien Energie ein , das ein Maß für die Menge an nützlicher Arbeit ist, die ein System leisten kann. Die freie Gibbs-Energie ermöglicht es uns zu verstehen, wie chemische Reaktionen und thermodynamische Prozesse ablaufen. Dadurch konnten Wissenschaftler vorhersagen, welche Reaktionen spontan ablaufen würden und welche nicht.
Obwohl Gibbs nicht viel reiste und es vorzog, in seinem Labor in Yale zu bleiben, verbreiteten sich seine Beiträge auf der ganzen Welt.
Seltsamerweise war er so bescheiden, dass er sich unwohl fühlte und ihn ablehnte, als seine Kollegen versuchten, ihm eine Auszeichnung zu verleihen. Dennoch ist sein Name von grundlegender Bedeutung in der Geschichte der Thermodynamik.