Geschichte der Thermodynamik Kurzer historischer Abriss

Seminar: Didaktik der PhysikUniv.-Doz. Mag. Dr. Emmerich Kneringer

Präsentation: Nadia Borghi, 23.10.06, WS.2006/2007

Inhaltsangaben

1. Feuervorstellung in der Antike2. Phlogiston-Caloricumtheorie3. Kinetische Theorie4. 1. Hauptsatz der Thermodynamik

(Energieerhaltungssatz) Kalorienermittlung im Schulversuch

5. Kinetische Gastheorie6. 2. Hauptsatz der Thermodynamik7. Mikroskopische Theorie8. 3. Hauptsatz der Thermodynamik

500 v. Chr.

17. Jh. 18. Jh.

1798

1848

19. Jh.

1824

Ende 19. Jh.

1906 20. Jh.

Praxis

Heraklit

Phlogiston

Caloricumth.

Chemie

Oxidationsth.

Kanonenrohrexp.

Thompson

Kin. Theorie

Allg. Energiesatz

Kin. Gastheorie

2. HS der

Thermodyn.

Mikroskop. Th.

Stat. Mechanik

3. HS der

Thermodyn.

Nichtgleichgewichts-

Systeme, Chaos,

Dynamik

Antike: Empedokles, Heraklid

Keine Wissenschaft von der Wärme! Nur Augenschein und unmittelbare Praxis Kenntnisse von Wärmeerscheinungen werden in der Praxis angewendet (Feuerschmieden von Metallen,...)

Empedokles (494 v.Chr bis 482 v.Chr.) Philosoph, Arzt, Politiker und Dichter im antiken Griechenland Setzt vier Elemente voraus (Erde, Wasser, Luft und Feuer),

aus denen die Welt besteht.

Heraklit (ca. 540 v.Chr bis ca. 480 v.Chr) Bei Heraklit sind die vier Elemente ineinander übergehende

Formen des Feuers. Durch Eindringen von Feuer werden die Körper wärmer,

manchmal auch flüssig oder luftartig.

Phlogiston-Caloricumtheorie

Georg Ernst Stahl,Joseph Black

Joseph Black 1728-1799

• In Frankreich geboren• Lehre in Edinburgh

• Experimentelle Arbeiten zur Wärme mit folgenden Ergebnissen:1. Wärme ist nicht Temperatur2. Wärme = Substanz

Georg Ernst Stahl 1660-1734

•Chemiker und Mediziner

•Professor in Halle

•Leibarzt des Königs von Preußen

Phlogiston - bzw. Caloricumtheorie

Die Phlogiston-Theorie wurde, durch den Chemiker Georg Ernst Stahl zu Beginn des 18.Jh. ausgearbeitet.

Phlogiston (griechisch phlogistós – verbrannt) oder Caloricum ist eine hypothetische Substanz, von der man im späten 17. und 18. Jh. glaubte, dass sie allen brennbaren Körpern bei der Verbrennung entweicht sowie bei Erwärmung in sie eindringt.

Phlogiston ist ein Bestandteil von Materie, der bei Umwandlungen wie Verbrennung oder Verrostung entweicht, die Asche oder den Rost zurücklässt und keine oder eine negative Masse hat.

Wenn ein Körper erwärmt wird, dringt Phlogiston in ihn ein und der Körper dehnt sich aus. Wenn man ihn zusammenpresst, wird Phlogiston herausgedrückt und dringt in umliegende Materie ein. Es wurde dadurch Wärme an einem benachbarten Körper spürbar.

Vorteile der Phlogistontheorie

Die Phlogistontheorie konnte einige Phänomene der Verbrennung recht gut erklären.

1. Holz brennt, weil Bäume Phlogiston aus der Luft aufnehmen

2. Eine Kerze erlischt im abgeschlossenen Container, weil Luft nur eine bestimmte Menge Phlogiston, das von der brennenden Kerze abgegeben wird aufnehmen kann.

3. Joseph Priestley: Sauerstoff ("dephlogestierte Luft") ist besonders reaktionsfreudig, weil er weniger Phlogiston als normale Luft enthält und somit mehr aufnehmen kann.

Erklärungsschwierigkeiten

Nach der Entdeckung des Wasserstoffs durch Henry Cavendish und des Sauerstoffs durch Joseph Priestley und Carl Wilhelm Scheele, stellte man fest, dass diese beiden Substanzen bei der Verbrennung zu Wasser wurden und kein Phlogiston freisetzten, was der Theorie den ersten schweren Schlag versetzte.

Ablösung durch die Oxidationstheorie Die Phlogiston-Theorie wurde Ende des 18. Jahrhunderts durch den

Chemiker Antoine Lavoisier durch die Oxidationstheorie abgelöst. Er untersuchte die Gewichtsveränderung verschiedener Stoffe bei Oxidation und bemerkte, dass das gerade entdeckte Element Sauerstoff dabei die entscheidende Rolle spielt.

Er wies nach, dass: beim Verbrennen von Metallen oder Schwefel so viel

Sauerstoff verbraucht wird, wie in den entstandenen Oxiden enthalten ist,

man, um Metalle aus den Oxiden wiederzugewinnen, nicht Phlogiston hinzufügen, sondern den Sauerstoff entfernen muss.

Physikalische Schwierigkeit beiCaloricumtheorie

Reibungswärme nicht genügend

erklärt

Versuche von Benjamin Thompson

Kanonenrohr-versuche

Kinetische Wärmetheorie

Benjamin Thompson

Graf Rumford alias Benjamin Thompson

1753 in Amerika geboren

Berater des bayrischen Königs

Leiter des Militärarsenals

Zweifel an Caloricumtheorie

1814 gestorben

Kanonenrohrexperiment, München, 1798

Stumpfe Stahlbohrer laufen im Inneren von Kanonenrohren =>

Rohre glühend heiß und Kühlungswasser siedend

Geht Wärmestoff zur Neige?

Neuer Ansatz: Wärme und Energie

Kinetische Theorie

Umwandlung von Arbeit in Wärme Wärme als Bewegung Gleichheit von Wärme und

mechanischer Energie

1. Hauptsatz der Thermodynamik

Energieerhaltungssatz

Robert Mayer, James Joule, Hermann von Helmholtz

Julius Robert Mayer 1814-1878

Schiffsarzt

Postulierte als erster den Energie-erhaltungssatz

Wärme und Arbeit sind äquivalent

1850 Selbstmordversuch

Versuch zur Umwandlung von potentieller Energie in Wärme

von Robert Mayer

Wandelt potentielle Energie in Wärme um

Bestimmt quantitativen Zusammenhang

Ein Wassertropfen muss von 365 m Höhe herabfallen um sich um 1°C zu erwärmen

James Prescott Joule 1818-1889

Englischer Bierbrauer

Zusammenhang zwischen mechanischer Arbeit und Erwärmung

Ihm zu Ehren Einheit der Energie „Joule“

Versuchsanordnung „Rührexperiment“

Absinkende Gewichtsstücke setzen ein Rührwerk in Rotation Temperaturerhöhung festgestellt Zusammenhang zwischen potentieller Energie und innerer

Energie

Versuchsdaten

2 Massenstücke (je ca. 13kg) Sinken um Strecke von 1.6m 20-fache Wiederholung =>

Temperaturerhöhung des Wassers

Damit sich ein Pfund Wasser um ein Fahrenheit erwärmt muss eine Masse von 772 Pfund um 1 Fuß abgesenkt werden.

Daten in unserem Maßsystem

In unserem Maßsystem: Um 1 kg Wasser um 1° Celsius zu erwärmen, wird

eine Energiemenge ΔQ = 4,19 kJ benötigt.

ΔQ = cW · m · ΔJ

ΔQ … zugeführte Wärmemenge cW … 4.19kJ/(kg .k), spezifische Wärmekapazität von Wasser m… Masse der erwärmten Wassermenge ΔJ … Temperaturänderung in Kelvin

Kalorienermittlung im Schulversuch

Eine Kalorie entspricht der Menge an Energie, die notwendig ist, um ein Gramm Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen.

Begriff Kalorie (vom lateinischen calor = Wärme).

Der Grundumsatz (die Energiemenge, die der Körper pro Tag bei völliger Ruhe zur Aufrechterhaltung seiner Funktionen benötigt) eines Menschen liegt zwischen 1500 und 1700 Kcal. Schließlich muss die Temperatur unseres Körpers unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant etwa 37°C betragen, und lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Verdauung oder der Herzschlag zu erhalten.

Wie aber kann man überhaupt ermitteln, wie viele Kalorien ein Lebensmittel hat?

Hierzu benötigt man ein sogenanntes Kalorimeter, das die Energie in Form von Wärme (calor = Wärme) misst (was der Wortteil „meter“ besagt).

Versuch: Kalorienbestimmung

Kalorien einer WALNUSS MHalbe Walnuss = 2g Wassertemperatur zu Beginn des Versuchs: 20° Celsius Wassertemperatur nach Experiment: 64° Celsius Temperaturdifferenz: 44° Celsius

mWasser : 100 g (=100 ml) Kalorien = 100 g x 44° C = 4400 = 4,4 Kilokalorien

Kalorien/g = 4,4 Kilokalorien / 2g = 2200 Kalorien/g = 2,2 Kilokalorien/g

Kalorien/100g = 100 x 2,2 Kcal = 220 Kcal/100g = ca. 920kJ Die Temperatur zu Versuchsbeginn beträgt in unserem Beispiel

20° Celsius. Es sind auch andere Anfangstemperaturen möglich. Wichtig ist, dass die Anfangstemperatur des Wassers in etwa der Umgebungstemperatur entspricht, da sonst das Wasser in der Dose schon von der Umgebungstemperatur erwärmt oder abgekühlt werden kann.

Allgemeiner Energiesatz

1848 Formulierung durch deutschen Physiker Helmholtz (1821-1894):

In einem abgeschlossenen System bleibt die vorhandene Gesamtenergie erhalten

=> Unmöglichkeit des Perpetuum Mobile

1. Hauptsatz der Thermodynamik

Mayer, Joule, Helmholtz Historische Formulierung:

Wärme ist eine Energieform. Energie (Arbeitsfähigkeit) lässt sich nur in verschiedene äußere Formen umwandeln, aber nicht aus nichts erschaffen noch zerstören.

Formel: U … innere Energie W … Arbeit .

Q … Wärme .

Kinetische Gastheorie

James Maxwell, Rudolf Clausius

Rudolf Clausius (1822-1888)

Deutscher Physiker und Mathematiker

Energieerhaltungssatz nicht ausreichend

Wärme fließt von wärmeren zu kälteren Körpern aber nicht umgekehrt

2 Grundsätze von J. Clausius

1. Die Energie des Universums ist konstant

2. Die Entropie des Universums neigt in Richtung zu einem Maximum

Entropie

Neu formulierte Größe Beschreibt (wie Druck, Energie und

Temperatur) den Zustand eines Gases

Annahme: Gase bestehen aus einzelnen Atomen Stoßen elastisch aneinander

2. Hauptsatz der Thermodynamik

Sadi Carnot

2. Hauptsatz der Thermodynamik (1824) Sadi Carnot

(1796-1832)

Geboren in Paris Caloricumtheorie Tod mit 36 durch

Cholera

Historische FormulierungFormel

Die Arbeitsleistung einer Wärmekraftmaschine, deren Antriebsteile in regelmäßiger Abfolge immer wieder die

gleiche Stellung einnehmen, ist stets mit einem Wärmeübergang von höherer auf tiefere Temperatur

verknüpft.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass es eine Zustandsgröße Entropie S gibt, die in einem abgeschlossenen System niemals abnimmt. Für die Änderung der Entropie dS gilt also:

Aus dem Ansatz für die differenzielle Änderungen der Entropie und dem ersten HS folgt (δW = − pdV):

Mikroskopische Theorie

BoltzmannMikroskopische Erklärung der

Entropie

Ludwig Boltzmann

1844-1906 Mitbegründer der

kinetischen Gastheorie

In Wien geboren Studium der Physik

und Mathematik Professor für

Experimentalphysik in Graz und Wien

Mikroskopische Erklärung der Entropie

Mögliche Orte der Gasteilchen werden in einzelne Zellen aufgeteilt

Boltzmannfaktor als universelle Konstante

Wahrscheinlichkeit für Ordnung verschwindend klein

Boltzmann

Begründer der statistischen Mechanik Beziehung zw. Entropie und thermodynamischer

Wahrscheinlichkeit verband die Thermodynamik mit der

statistischen Mechanik Resultat: Entropie proportional dem

Logarithmus der thermodynamischen Wahrscheinlichkeit

Max Planck : S = k log W. S … Zahlenwert der Entropie W … Anzahl der Zustände k ist eine universelle Konstante. Diese wurde von

Einstein als "Boltzmann-Konstante" bezeichnet.

3. Hauptsatz der Thermodynamik 1906

Walter Nernst

Walter Nernst

1864-1941 Lehre in

Göttingen 1920 Nobelpreis

für Chemie

3. Hauptsatz der Thermodynamik

Nernstsches Wärmetheorem

Die Entropie strebt bei Näherungen an den absoluten Nullpunkt ebenfalls dem Wert Null zu

=> Der absolute Nullpunkt kann nicht erreicht werden

Ergänzung/Ausblick

Nichtgleichgewichtssysteme, Statistik, Chaos

Statistische Mechanik

Josiah Gibbs (1839-1903)

Josiah Gibbs geboren in New Haven (USA)

1762 war an den Unis von Paris,

Berlin, Heidelberg und Yale starb 1839

führt Begriff statistische Mechanik ein

MechanikThermodynamik Statistische Mechanik

Quantenstatistik

Nichtgleichgewichtssysteme, Chaos, Dynamik

Ilya Prigogine (1917-2003)

Ilya Prigogine 1917-2003 geboren in Russland während der

Revolution Flucht nach Deutschland, dann Belgien und USA

Nicht-Gleichgewichts-Thermodynamik

Anwendung auf Biologie

1977 Nobelpreis „Gesetze des Chaos“