Benjamin Thompson führte eine Reihe von Experimenten durch, die mechanische Arbeit und Wärme in Beziehung setzten. Später nahm James Joule die Experimente von Benjamin Thompson wieder auf.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik wurde 1841 von Julius Robert von Mayer angekündigt. Mayer war der erste, der die Umwandlung mechanischer Arbeit in Wärme überprüfte und umgekehrt.
Diese Überprüfungen wurden zur gleichen Zeit wie Joule durchgeführt, jedoch separat. Beides im 19. Jahrhundert.
Die ersten vollständigen Gesetzeserklärungen kamen 1850 von Rudolf Clausius und William Rankine. Rankines Aussage unterscheidet sich weniger von der von Clausius.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt: "Die Gesamtenergie eines isolierten Systems wird weder erzeugt noch zerstört, sie bleibt konstant."
Nicolas Léonard Sadi Carnot, der angesehene Vater der Thermodynamik
Paris, 1. Juni 1796 - 24. August 1832
Nicolas Léonard Sadi Carnot war ein wegweisender französischer Physiker und Ingenieur im Studium der Thermodynamik. Er gilt heute als Begründer oder Vater der Thermodynamik.
Als Carnot begann, an dieser Angelegenheit zu arbeiten, hatten Dampfmaschinen eine große wirtschaftliche und industrielle Bedeutung erlangt. Es gab jedoch keine tatsächliche wissenschaftliche Untersuchung von ihnen.
Carnot wollte zwei Fragen zum Betrieb von Wärmekraftmaschinen beantworten. Beides bezog sich auf seine Wärmeleistung.
Wie Copernicus veröffentlichte Carnot nur ein Buch: "Reflexionen über die Antriebskraft des Feuers" (Paris, 1824). In seinem Buch drückte er die erste erfolgreiche Theorie der maximalen Effizienz von Wärmemaschinen aus.
In dieser Arbeit legte er den Grundstein für eine völlig neue Disziplin, die Thermodynamik.
Carnot-Zyklus
Der Carnot-Zyklus ist der effizienteste Motor. Diese Effizienz ist nicht nur auf die Abwesenheit von Reibung und anderen Abfallprozessen zurückzuführen. Der Hauptgrund ist, dass es keine Wärmeleitung zwischen den Motorteilen bei unterschiedlichen Temperaturen beinhaltet.
Carnot wusste, dass die Wärmeleitung zwischen Körpern bei unterschiedlichen Temperaturen ein verschwenderischer und irreversibler Prozess ist. Die Wärmeleitung muss entfernt werden, damit die Wärmekraftmaschine einen maximalen Wirkungsgrad erreicht.
James Prescott Joule. Wärme und Energie
Salford, 24. Dezember 1818 - Verkauf, 11. Oktober 1889.
Das SI-Aggregat Juli ist nach ihm benannt.
Er entwickelte mit Lord Kelvin die absolute Temperaturskala, beschrieb die Magnetostriktion und fand die Beziehung zwischen elektrischem Strom durch elektrischen Widerstand und Wärmeableitung, bekannt als Joule'sches Gesetz.
Dank seiner Experimente zeigte er, dass Wärme und mechanische Arbeit direkt ineinander umgewandelt werden können, wobei ihr allgemeiner Wert konstant bleibt: In hydraulischen und mechanischen Maschinen wandelt Reibung mechanische Kraft in Wärme um.
Im Gegensatz dazu beruht bei thermischen Maschinen der erzeugte mechanische Effekt (Arbeit) auf einer äquivalenten Wärmemenge.
Joule legte den experimentellen Grundstein für den ersten Hauptsatz der Thermodynamik.
Joule und Julius Robert von Mayer, die ähnliche Ergebnisse erzielt hatten, wurden zunächst ignoriert, bis der deutsche Physiker Hermann Helmholtz ihre Ergebnisse 1842 entdeckte. Er gab ihnen die gebührende Anerkennung, als er 1847 sein endgültiges Energieeinsparungsgesetz veröffentlichte.
James Prescott Joule Mechanisches Experiment
James Joule schlug eine Vorrichtung vor, die aus einer Drehwelle besteht, die mit einer Reihe von Schaufeln ausgestattet ist, die sich zwischen vier Sätzen stationärer Schaufeln drehen. Der Zweck dieser Paddel war es, die Flüssigkeit zu rühren, die sich in dem freien Raum zwischen ihnen befand. Die Welle war durch ein System sehr feiner Riemenscheiben und Seile mit einem Paar Massen bekannten Gewichts verbunden.
Die Wände des Behälters waren wasserdicht und aus sehr dickem Holz gefertigt, um eine adiabatische Wand zu simulieren.
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Wickeln Sie das Seil, das die Massen auf den Riemenscheiben hält, bis sie sich in einer bestimmten Höhe über dem Boden befinden.
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Lass die Massen fallen.
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Die Achse beginnt sich zu drehen, erzeugt eine Drehung der Dreharme, rührt die Flüssigkeit und gibt einen Teil ihrer kinetischen und potentiellen Energie ab.
Dieser Vorgang wurde zwanzigmal wiederholt. Am Ende wurde die Temperatur der Flüssigkeit gemessen.
Erste Ergebnisse
Nach sorgfältiger Wiederholung kam Joule zu dem Schluss, dass die durch Reibung zwischen Körpern, ob flüssig oder fest, erzeugte Wärmemenge immer proportional zur Menge der zugeführten mechanischen Arbeit ist.
Später führte er weitere Experimente durch, die unterschiedlich waren:
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Die Art der mechanischen Arbeit.
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Die Art der Flüssigkeit und damit ihre Eigenschaften.
Die Ergebnisse aller Experimente zeigten, dass die im System beobachtete Änderung immer gleich ist. In diesem Experiment wird die Änderung durch die Variation der Temperatur des Systems registriert. Immer in von außen isolierten Systemen.
Es ist wichtig zu beachten, dass sie in diesen Experimenten die folgenden Eigenschaften erfüllen:
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Das System bewegt sich nicht.
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Seine kinetische Energie ist Null.
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Es bewegt sich nicht in Bezug auf das Bodenniveau.
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Seine potentielle Energie bleibt konstant
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Das System hat eine bestimmte Energiemenge aufgenommen.
Was ist innere Energie?
Joules Experimente kamen zu dem Schluss, dass die Wärmeübertragung in einer thermischen Maschine Teil der inneren Energie der Maschine wurde.
Wenn wir ein geschlossenes System mit einer bestimmten Menge an mechanischer Energie W versorgen, führt dies nur zu einer Erhöhung der inneren Energie des thermodynamischen Systems.
Die interne Energievariation in einem adiabatischen Prozess entspricht der gelieferten Arbeit.
Ein adiabatischer Prozess ist ein Prozess, der keine Wärme mit der Außenseite austauscht. Wenn das System nicht adiabatisch ist, entspricht die innere Energie der Arbeit abzüglich der ausgehenden Wärmeenergie.
Julius Robert von Mayer, der als erster in der Geschichte den ersten Hauptsatz der Thermodynamik formulierte
Heilbronn, 25. November 1814 - 20. März 1878.
Julius Robert von Mayer war ein deutscher Arzt und Physiker und einer der Begründer der Prinzipien der Thermodynamik.
Julius Robert von Mayer wurde von anderen Fachleuten in der Region weitgehend ignoriert. So interessierte sich Mayer für den Bereich Wärme und seine Bewegung. Es wurde ein numerischer Wert für das mechanische Äquivalent von Wärme angegeben.
1841 formulierte er als erster das Prinzip der Energieeinsparung. Im weiteren Sinne formulierte er auch den ersten Hauptsatz der Thermodynamik.
Da er zu dieser Zeit nicht ernst genommen wurde, wurden seine Leistungen übersehen und James Joule wurde gutgeschrieben.
In Bezug auf die Priorität dieser Entdeckung hatte er große Meinungsverschiedenheiten mit dem englischen Physiker James Prescott Joule.