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Thermodynamik.
Energieumwandlung

I Verbrennung thermische Energie.
Auswirkungen der Thermodynamik

Entropy

William John Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine (Edinburgh, 5. Juli 1820 - Glasgow, 24. Dezember 1872) war ein schottischer Ingenieur und Physiker. Er hatte sehr unterschiedliche Interessen; In seiner Jugend interessierte er sich für Botanik, Musiktheorie und Zahlentheorie und in seinen letzten Jahren für Mathematik und Technologie.

Zusammen mit Rudolf Clausius und William Thomson gehört er zu den Begründern der Thermodynamik. Er entwickelte auch die Theorie hinter der Dampfmaschine, führte Konzepte wie kinetische und potentielle Energie ein und untersuchte Stoßwellen und Metallermüdung. Eine Temperaturskala ist nach William Rankine benannt, der als Rankine-Skala bekannt ist.

Das Leben von William John Macquorn Rankine

Rankine war der Sohn des Berufssoldaten und späteren Bauingenieurs David Rankine und die Tochter der Bankierin Barbara Grahame aus Glasgow. Er war der zweite Sohn, aber sein älterer Bruder starb früh. Aufgrund seiner schlechten Gesundheit wurde er hauptsächlich zu Hause unterrichtet. Er besuchte die High School in Ayr und Glasgow nur wenige Jahre nachdem die Familie 1830 dorthin gezogen war. In seiner Jugend interessierte er sich sehr für Musik und Mathematik. Im Alter von vierzehn Jahren interessierte sich Isaac Newtons größtes Werk, Principia Mathematica (1687) in lateinischer Sprache, für Physik.

Mit 16 Jahren begann er 1836 ein Studium der Naturwissenschaften an der Universität von Edinburgh, wo er unter anderem Naturphilosophie bei James David Forbes und Naturgeschichte bei Robert Jameson unterrichtete. Zu dieser Zeit las er auch viele Werke von Philosophen der schottischen Aufklärung. An der Universität erhielt er zwei Auszeichnungen für Aufsätze zu physikalischen Forschungsmethoden und zur Wellentheorie des Lichts, schloss den Kurs jedoch nicht ab.

1838 verließ er die Universität und wurde Assistent des irischen Bauingenieurs John Benjamin MacNeill. Er arbeitete hier im Eisenbahndesign, im Hafenbau und im Kanalbau. Gleichzeitig begann er Artikel zu schreiben, die unter anderem von der britischen "Institution of Civil Engineers" veröffentlicht wurden. 1855 wurde er zum Professor für Bauingenieurwesen und Maschinenbau an der Universität von Glasgow ernannt.

Rankine wurde 1849 Mitglied der Royal Society of Edinburgh und 1853 Mitglied der Royal Society in London. Er war auch Mitglied der Royal Swedish Society of Sciences und der American American Academy of Arts and Sciences. 1857 gründete er eine schottische Zweigstelle der "Institution of Civil Engineers" und war der erste Präsident bis 1870. 1857 erhielt Rankine eine Ehrendoktorwürde vom Trinity College in Dublin.

Rakine war auch ein talentierter Musiker und spielte Cello, Klavier und sang. Er schrieb auch Gedichte, die posthum als kompilierte Werke veröffentlicht wurden.

Bedeutung von Rankines Arbeit

Neben seiner Arbeit als Bauingenieur hat Rankine mehrere Beiträge zur Wissenschaft geleistet. Er schrieb Standardwerke der Mechanik, Dampftheorie und -praxis, Bauingenieurprinzipien und mechanische Konstruktionsprinzipien. Damit leistete er einen wichtigen Beitrag zur Formalisierung der technischen Wissenschaften, die zu dieser Zeit ein nationales und internationales Beispiel Europas für Amerika und Japan wurden.

Eine Besonderheit seiner Arbeit war, dass Rankine die Lücke zwischen Ingenieurpraxis und wissenschaftlicher Forschung schließen konnte. Die Wissenschaft war zu dieser Zeit hauptsächlich rein und abstrakt und die Ingenieure misstrauten ihr. Im Geiste von Francis Bacon und Thomas Reid gelang es Rankine, wissenschaftliche Forschung für die Praxis nützlich zu machen. Zum Beispiel hat er mit seiner wissenschaftlichen Forschung und der Konstruktion von Theorien einen wichtigen Beitrag zur Thermodynamik geleistet. Es basiert auch auf der Arbeit von Benoît Clapeyron, Sadi Carnot und JP Joule.

Maschinenbauforschung

Teilweise auf Vorschlag seines Vaters, der viel über die Eisenbahnen wusste, konzentrierte sich Rankine zunächst auf den Maschinenbau. Seine erste Veröffentlichung aus dem Jahr 1842 trug den Titel "Eine experimentelle Untersuchung zum Vorteil zylindrischer Räder bei Eisenbahnen". Im folgenden Jahr präsentierte er einen Artikel über die Ermüdung des Metalls in den Achsen der Lokomotiven. Er zeigte, dass die Brüche in den Achsen durch fortschreitende Degeneration entstanden sind, diese Müdigkeit (Müdigkeit erwähnt). Dieses Phänomen trat hauptsächlich bei plötzlichen Übergängen in der Struktur auf und es wurde empfohlen, diese Übergänge zu vervollständigen.

Auf dem Gebiet der Statik hat er Methoden zur Berechnung der Kräfteverteilung in Gebäudestrukturen entwickelt und Untersuchungen zur Stabilität von Gebäuden durchgeführt. Er studierte auch Hydrodynamik und Schiffsdesign.

Das Objekt der Physik

Neben seinen Beiträgen zu den technischen Wissenschaften begann Rankine im Laufe der 40er Jahre des 19. Jahrhunderts mit seinen naturwissenschaftlichen Forschungen. Rankine war schon früh von Dampfmaschinen fasziniert, die durch seine Arbeit mit den Eisenbahnen eine neue Dimension erhalten hatten. Er suchte nach grundlegenden Gesetzen durch Experimente mit thermodynamischen Prozessen. Rankine ging noch weiter in ihren Gedanken und philosophierte über die Natur des Universums und das Objekt der Physik. Zum Beispiel erklärte er 1852 das, was später als Energieerhaltungsgesetz bezeichnet wurde:

"Jeden Tag häufen sich experimentelle Beweise oder ein Gesetz, das vermutet hat, dass es ein langes Bein gibt," alle verschiedenen Arten von physischer Energie im Universum sind gegenseitig umwandelbar ", dass die Gesamtmenge an physischer Energie, ob in Form der sichtbaren Bewegung und der mechanischen Kraft oder der Wärme, des Lichts, des Magnetismus, der Elektrizität oder der chemischen Einwirkung oder auf andere Weise, die noch nicht verstanden wurden, sind unveränderlich die Umwandlung ihrer verschiedenen Teile einer dieser Kraftformen in eine andere. und seine Übertragung von einem Teil der Materie auf einen anderen, die die Phänomene darstellt, die Gegenstand der experimentellen Physik sind. "

Rankine sah einen Zusammenhang zwischen allen physikalischen Phänomenen sichtbarer Bewegung und mechanischer Energie, Wärme, Licht, Magnetismus, Elektrizität und chemischer Energie. Später löste er die Idee der Austauschbarkeit all dieser Energieformen und die Gesetze, die dieser zugrunde liegen, in seiner Energietheorie auf. Um diese Reihe physikalischer Phänomene umstritten zu machen, entwickelte er eine Hypothese über molekulare Wirbel, um die molekulare Struktur der Materie zu beschreiben. Der Name des Rakine-Zyklus verdankt seinen Namen dem schottischen Physiker.

Hypothese der Molekülwirbel

Eine zentrale Annahme in Rankines wissenschaftlicher Arbeit war seine Hypothese von molekularen Wirbeln (Wirbel im molekularen Maßstab), auch "Zentrifugalelastizitätstheorie" genannt. Nach dieser Hypothese bestand die gesamte Materie aus Molekülen, die von Atomkernen gebildet wurden, die von einer elastischen Atmosphäre umgeben waren, die durch Anziehungskräfte an Ort und Stelle gehalten wurde. Rankine näherte sich auch, dass Wärme eine Art Schwingung der Atmosphäre war, die sich um den Atomkern drehte, und Licht tatsächlich eine Schwingung war, die aus der Bewegung von Atomkernen hervorging und sich dank der Anziehungskraft und noch mehr ausbreitete gegenseitige Abstoßung dieser Kerne. Rankine schrieb der Atmosphäre selbst mechanische Eigenschaften zu. Ihm zufolge

Diese Hypothese bot ihm ein Modell für seine Theorie von Licht und Wärme. Er erklärte die doppelte Lichtbrechung als die Übertragung der Bewegung von der Atmosphäre auf die Atomkerne und umgekehrt. Er kam auch von dieser Hypothese zu seinen Vergleichen über Gas und Wärme. Er machte einen weiteren Schritt und arbeitete an einer allgemeinen Theorie der mechanischen Wirkung, die Wärme erzeugen könnte. Er zeigte, dass eine gewisse Wärmemenge verschwand und zu seiner eigenen Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik kam. Diese Hypothese spielte in der Theorie der Dampfmaschinen von Rankine keine Rolle, kehrte jedoch in die Theorie der Energie von Rankine zurück, die in der Industrie der Wärmekraftwerke und der solarthermischen Energie von Bedeutung sein würde.

Diese Hypothese hatte zu dieser Zeit einen gewissen Einfluss. James Clerk Maxwell verwendete es beispielsweise in seinem Artikel "Über physikalische Kraftlinien" von 1861. Er nahm an, dass die magnetischen Kraftlinien in einer Substanz von einem Meer molekularer Wirbel transportiert wurden, das teilweise aus Äther und teilweise bestand in gewöhnlicher Materie.

Theorie und Auswirkungen der Thermodynamik

Nach seiner Hypothese von Molekülwirbeln aus dem Jahr 1849 hatte er den Zusammenhang zwischen gesättigtem Dampfdruck und Temperatur gefunden. Im folgenden Jahr fand er einige Zusammenhänge zwischen Temperatur, Druck und Gasdichte und beschrieb die latente Wärme nach Verdampfung einer Flüssigkeit. Rankine sagte richtig voraus, dass die spezifische Wärme von Sattdampf negativ sein würde.

Rankine hat einen wichtigen Beitrag zum elementaren Verständnis im theoretischen Bereich geleistet. Zum Beispiel führte er den Namen "Energie" für die grundlegende physikalische Größe ein, die zuvor als "Lebenskraft" bekannt war. Er war auch der erste, der die Übertragung von Energie in Dampfmaschinen beispielsweise als Umwandlung von Wärme in kinetische Energie beschrieb.

Rankine stellte auf der Grundlage seiner eigenen Theorie fest, dass der maximale Wirkungsgrad von Wärmemotoren ausschließlich von den Temperaturschwankungen abhängen würde, denen diese Motoren während des Betriebs ausgesetzt sind. Der Preuße Rudolf Clausius entwickelte den Carnot-Prozess basierend auf Rankines Ideen. Rankines Arbeit auf dem Gebiet der Thermodynamik wurde von James Clerk Maxwell wieder aufgenommen.

Rankine formulierte später die Ergebnisse seiner eigenen Theorie über die Bewegungen von Molekülen mit Energie und Energieumwandlung neu. Er behauptete, dass effektive Energie (reale Energie) in dynamischen Prozessen verloren ging und durch potenzielle Energie ersetzt wurde, eine Idee, die seit einiger Zeit als Gesetz der Energieerhaltung bekannt war.

1859 schlug Rankine seine Rankine-Skala zur Messung der absoluten Temperaturen vor.

Energetisch

In dem Artikel "Schemes of Energy Science" von 1855 griff Rankine in die wissenschaftlich-philosophische Debatte über die deduktive und induktive Methode zum Erwerb von Wissen und die Rolle der Hypothese ein. Rankine meinte, dass die Hypothese, die er als hypothetische Theorie bezeichnete, nur ein Zwischenschritt sei, der notwendig sei, um die Betrachtung von Phänomenen zu vereinfachen. Dies ermöglichte es, zu einer Formulierung einer abstrakten Theorie zu gelangen, die durch Induktion postuliert werden kann.

Nach seiner Hypothese über molekulare Wirbel und ihre Auswirkungen auf die Thermodynamik präsentierte Rankine eine neue Theorie, in der Dynamik auf der Grundlage von Energie und der Umwandlung von Energie anstelle von Kraft und Bewegung behandelt wurde. Damit brachte er alle damals bekannten Naturkräfte zu einer universellen Theorie: einer Theorie des allgemeinen Gesetzes, die jede Energieumwandlung regelt. Er nannte es die Wissenschaft der Energie. Diese Theorie wurde besonders in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts oft erwähnt und war unter anderem ein Beispiel für weitere Spekulationen von Ernst Mach und Wilhelm Ostwald.

Mathematische Physik

Mit Beiträgen zur Theorie der Elastizität und der Wellen hat Rankine einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung der mathematischen Physik geleistet.

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Geändert am: 26. Februar 2020