Zusammenfassung
Als der französische Ingenieur-Offizier N. L. S. Carnot2 im Jahre 1824 seine einzige, später berühmt gewordene Schrift „Réflexions sur la puissance motrice de feu et sur les machines propres à développer cette puissance“ veröffentlichte3, begründete er eine neue Wissenschaft: die Thermodynamik. Schon lange Zeit zuvor hatte man sich mit den Wärmeerscheinungen beschäftigt und man hatte auch praktische Erfahrungen im Bau von Wärmekraftmaschinen, insbesondere von Dampfmaschinen gewonnen; Carnot jedoch behandelte das Problem der Gewinnung von Nutzarbeit aus Wärme erstmals in allgemeiner Weise. Als gedankliche Hilfsmittel schuf er die Begriffe der vollkommenen Maschine und des reversiblen (umkehrbaren) Kreisprozesses. Seine von bestimmten Maschinenkonstruktionen und von bestimmten Arbeitsmedien abstrahierenden Überlegungen führten ihn zur Entdeckung eines allgemein gültigen Naturgesetzes, das wir heute als den 2. Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnen.
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Referenzen
Vgl. hierzu Keenan, J. H., u. Shapiro, A. H.: History and exposition of the laws of Thermodynamics. Mech. Engineering 69 (1947) S. 915–921; Plank, R.: Geschichte der Kälteerzeugung und Kälteanwendung, insbes. S. 5–42 des Handb. d. Kältetechnik, Bd. 1, Berlin-Göttingen-Heidelberg: Springer 1954; sowie Cardwell, D. S. L.: From Watt to Clausius, The Rise of Thermodynamics in the Early Industrial Age. Ithaca, New York: Cornell University Press 1971.
Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796–1832) schloß mit siebzehneinhalb Jahren sein Studium an der Ecole Polytechnique in Paris ab; er diente dann einige Jahre als Ingenieur-Offizier, ließ sich aber bald zur Disposition stellen. Als Privatmann lebte er in Paris und widmete sich wissenschaftlichen Studien. Am 24. August starb er während der großen Choleraepidemie des Jahres 1832.
Deutsch in „Ostwalds Klassikern d. exakten Wissenschaften“ Nr. 37, 1892.
Julius Robert Mayer (1814–1878) war praktischer Arzt in Heilbronn, der sich in seinen wenigen freien Stunden mit naturwissenschaftlichen Problemen beschäftigte. Seine in den Jahren 1842–1848 veröffentlichten Arbeiten über den Energieerhaltungssatz fanden bei den Physikern lange Zeit nicht die ihnen gebührende Beachtung. Erst spät und nach einem Prioritätsstreit mit J. P. Joule wurde J. R. Mayer volle Anerkennung zuteil. Er starb hochgeehrt in seiner Vaterstadt Heilbronn im Alter von 63 Jahren.
James Prescott Joule (1818–1889) lebte als finanziell unabhängiger Privatgelehrter in Manchester, England. Neben den Experimenten zur Bestimmung des „mechanischen Wärmeäquivalents“ sind seine Untersuchungen über die Erwärmung stromdurchflossener elektrischer Leiter (Joulesche „Wärme“) und die gemeinsam mit W. Thomson ausgeführten Versuche über die Drosselung von Gasen (Joule-Thomson-Effekt) zu nennen.
Vgl. hierzu Baehr, H. D.: Der Begriff der Wärme im historischen Wandel und im axiomatischen Aufbau der Thermodynamik. Brennst.-Wärme-Kraft 15 (1963) 1–7.
Eudolf Julius Emanuel Clausius (1822–1888) studierte in Berlin. Er war „Werkstudent“, um die Ausbildung seiner jüngeren Geschwister zu finanzieren. 1850 wurde er Privatdozent und 1855 als Professor an die ETH Zürich berufen. 1867 ging er nach Würzburg, von 1869 bis zu seinem Tode lehrte er in Bonn. Clausius gehörte zu den hervorragenden Physikern seiner Zeit; er war ein ausgesprochener Theoretiker mit hoher mathematischer Begabung. Neben seinen berühmten thermodynamischen Untersuchungen sind besonders seine Arbeiten zur kinetischen Gastheorie hervorzuheben.
William Thomson (1824–1907), seit 1892 Lord Kelvin, war von 1846 bis 1899 Professor für Naturphilosophie und theoretische Physik an der Universität Glasgow. Neben seinen grundlegenden thermodynamischen Untersuchungen widmete er sich seit 1854 elektrotechnischen Problemen und hatte entscheidenden Anteil an der Verlegung des ersten transatlantischen Kabels (1856–1865). Er konstruierte eine große Anzahl von Apparaten für physikalische Messungen, unter ihnen das Spiegelgalvanometer und das Quadrantelektrometer. Er verbesserte den Schiffskompaß, die Methoden zur Tiefenmessung und Positionsbestimmung auf See und baute eine Rechenmaschine zur Vorhersage von Ebbe und Flut.
William John MacQuorn Rankine (1820–1872), schottischer Ingenieur, war auf vielen Gebieten des Ingenieurwesens tätig (Eisenbahnbau, Schiffbau, Dampfmaschinenbau). Von 1855 bis zu seinem Tode war er Professor für Ingenieurwesen an der Universität Glasgow. Er schrieb mehrere Lehrbücher, die zahlreiche Auflagen erlebten. Er verfaßte auch Gedichte, die er selbst vertonte und seinen Freunden vortrug, wobei er sich selbst am Klavier begleitete.
Josiah Willard Gibbs (1839–1903) verbrachte bis auf drei Studienjahre in Paris, Berlin und Heidelberg sein ganzes Leben in New Haven (Connecticut, USA) an der Yale-Universität, wo er studierte und von 1871 bis zu seinem Tode Professor für mathematische Physik war. Er lebte zurückgezogen bei seiner Schwester und blieb unverheiratet. Seine berühmten thermodynamischen Untersuchungen sind in einer großen Abhandlung „On the equilibrium of heterogeneous substances“ (1876) enthalten, die zuerst unbeachtet blieb, weil sie in einer wenig verbreiteten Zeitschrift veröffentlicht wurde. Gibbs schrieb auch ein bedeutendes Werk über statistische Mechanik, das zum Ausgangspunkt der modernen Quantenstatistik wurde.
Walther Hermann Nernst (1864–1941) war von 1891–1905 Professor in Göttingen und von 1906–1933 Professor in Berlin mit Ausnahme einiger Jahre, in denen er Präsident der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt war. Er gehört zu den Begründern der physikalischen Chemie. Seine mit besonderem experimentellen Geschick ausgeführten Arbeiten behandeln vornehmlich Probleme der Elektrochemie und der Thermochemie. Für die Aufstellung seines Wärmetheorems wurde er durch den Nobelpreis für Chemie des Jahres 1920 geehrt. Nernst hielt enge Fühlung mit der industriellen Forschung und machte mehrere Erfindungen. Er entwickelte auch einen Flügel mit elektrischer Klangbildung (Nernst-Bechstein-Flügel), den man als Vorläufer der „elektronischen“ Musikinstrumente ansehen kann.
Max Planck (1858 – 1947) wurde schon während seines Studiums durch die Arbeiten von Clausius zur Beschäftigung mit thermodynamischen Problemen angeregt. In seiner Dissertation (1879) und seiner Habilitationsschrift sowie in weiteren Arbeiten gab er wertvolle Beiträge zur Thermodynamik. 1885 wurde er Professor in Kiel; von 1889 – 1926 war er Professor für theoretische Physik in Berlin. Auch sein berühmtes Strahlungsgesetz leitete er aus thermodynamischen Überlegungen über die Entropie der Strahlung her. Hierbei führte er 1900 die Hypothese der quantenhaften Energieänderung ein und begründete damit die Quantentheorie. Für diese wissenschaftliche Leistung erhielt er 1918 den Nobelpreis für Physik.
Jules Henri Poincaré (1854–1912) war nach kurzer Ingenieurtätigkeit Lehrer an verschiedenen Schulen und Hochschulen. Er war von 1886–1912 Professor an der Sorbonne in Paris und lehrte von 1904–1908 auch an der Ecole Polytechnique. Seine wissenschaftlichen Arbeiten behandeln Fragen der Mathematik und der mathematischen Physik sowie philosophische Probleme der Naturwissenschaften.
Planck, M.: Vorlesungen über Thermodynamik. l.Aufl. Leipzig 1897; 11. Aufl. Berlin: de Gruyter 1964.
Constantin Carathéodory (1873–1950) wurde als Sohn griechischer Eltern in Berlin geboren. Nach vierjährigem Studium an der Ecole Militaire de Belgique in Brüssel war er als Ingenieuroffizier in Ägypten tätig. Er gab die Ingenieurlaufbahn auf und begann 1900 mathematische Studien in Berlin und Göttingen. Als Professor für Mathematik wirkte er an den Technischen Hochschulen Hannover und Breslau und an den Universitäten Göttingen, Berlin, Athen und München. Seine wissenschaftlichen Veröffentlichungen behandeln hauptsächlich Probleme der Variationsrechnung und der Funktionentheorie.
Carathéodory, C: Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik. Math. Ann. 67 (1909) 355–386.
Keenan, J. H.: Thermodynamics. l.Aufl. New York: J. Wiley and Sons Inc. 1941 (13.Neudruck 1957). — Joseph H. Keenan ist Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, Mass. USA.
Es seien genannt: Landsberg, P. T.: Thermodynamics. Interscience Publ. New York, London 1961. —
Falk, G.: Die Rolle der Axiomatik in der Physik, erläutert am Beispiel der Thermodynamik. Naturwiss. 46 (1959) 481 - 487. —
Hatsopoulos, G. N., Keenan, J. H.: Principles of General Thermodynamics. New York, London, Sidney: J. Wiley & Sons, Inc. 1965. —
Giles, R.: Mathematical Foundations of Thermodynamics. Pergamon Press, Oxford, London, New York, Paris 1964. —
Tisza, L.: Generalized Thermodynamics. The M. I. T. Press, Cambridge, Mass., London 1966. —
Stuart, E. B., B. Gal-Or, A. J. Brainard (Herausgeber): A Critical Review of Thermodynamics. Mono Book Corp. Baltimore 1970. — IUP AC: Proc. Intern. Conference on Thermodynamics held in Cardiff 1970. Butterworths, London 1970.
Ludwig Boltzmann (1844–1906) war Professor in Graz, München, Wien, Leipzig und wieder in Wien. Er leitete das von Stefan empirisch gefundene Strahlungsgesetz aus der Maxwellschen Lichttheorie und den Hauptsätzen der Thermodynamik her. Durch die Anwendung statistischer Methoden fand er den grundlegenden Zusammenhang zwischen der Entropie und der „thermodynamischen Wahrscheinlichkeit“ eines Zustandes.
Ludwig Prandtl (1875–1953) war Professor an der Universität Göttingen und Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Strömungsforschung. Durch seine vielseitigen Forschungsarbeiten wurde er zum Begründer der modernen Strömungslehre (Prandtlsche Grenzschichttheorie).
Von dieser Isolation sollen jedoch stationäre äußere Kraftfelder wie das Schwerefeld ausgenommen werden, vgl. S. 12.
Die Bedingung, daß ein System homogen ist oder aus mehreren homogenen Bereichen besteht, ist für das thermodynamische Gleichgewicht nicht hinreichend. Ein System aus Eisen und feuchter Luft besteht aus endlich vielen Phasen, doch ist es nicht in einem Gleichgewichtszustand, denn durch die Oxydation des Eisens (Rosten) ändert sich der Zustand, auch wenn das System von seiner Umgebung völlig isoliert wird. Es besteht hier nämlich kein chemisches Gleichgewicht. Auch Änderungen der chemischen Zusammensetzung müssen im vollständigen thermo-dynamischen Gleichgewicht fehlen.
Der Temperaturbegriff wird erst in Abschn.1.32 näher erläutert; er ist für dieses Beispiel nicht wesentlich. Man benutze daher die Vorstellungen des täglichen Lebens über den Temperaturbegriff.
Eine Ausnahme macht die Masse, die ja auch eine extensive Größe ist. Hierfür ist jedoch der kleine Buchstabe m allgemein gebräuchlich. Dasselbe gilt für die Substanzmenge n.
Häufig trifft man folgende Ausdrucksweise an: Eine spez. Größe, z.B. das spez. Volumen sei das Volumen der Massenemheit (1 kg) oder sei das Volumen des Systems bezogen auf die Masseneinheit. Beides ist falsch. Das spez. Volumen ist kein Volumen, sondern eine Größe anderer Art mit der Dimension Volumen dividiert durch Masse. Das spez. Volumen ist auch nicht das durch die Massen-einheit dividierte Volumen. Es verhielte sich dann ja nicht wie eine intensive Größe. Beispielsweise wäre bei V = 3m3 und m = 5 kg das spez. Volumen
Die Substanzmenge oder Stoffmenge n ist neben der Masse m ein Maß für Stoffmengen. Dieser Begriff wird ausführlich in Abschn. 10.12 erläutert.
Die Temperatureinheit Kelvin mit dem Einheitensymbol K wurde erst 1967 von der 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht international vereinbart. Vorher wurde das Kelvin als Grad Kelvin mit dem Kurzzeichen °K bezeichnet; für Temperaturdifferenzen benutzte man früher auch überflüssigerweise die besondere Einheit Grad (grd).
Vgl. hierzu: Bekanntmachung über Temperaturskalen vom 1.Dezember 1970, PTB-Mitt. 81 (1971) S.31–43.
Von der Wirkung der Schwerkraft, die Druckunterschiede in verschiedenen Höhen des Systems hervorruft, sehen wir hier und im folgenden ab.
Planck, M.: Über die Begründung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Sitzber. Berl. Akad. 1926 Phys.-Math. Klasse, S.453–463.
Clausius, R.: Über eine veränderte Form des zweiten Hauptsatzes der mechanischen Wärmetheorie. Pogg. Ann. 93 (1854) S.481.
Vgl. hierzu Baehr, H. D.: Quasistatische Zustandsänderungen und ihr Zusammenhang mit den reversiblen und irreversiblen Prozessen der Thermodynamik. Forschung Geb. Ing.-Wes. 27 (1961) S.3–9.
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Dieter Baehr, H. (1973). Allgemeine Grundlagen. In: Thermodynamik. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-10535-1_1
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