Zusammenfassung
Bisher haben wir die Begriffe Druck, Arbeit und Volumen präzise definiert und als Funktionen bzw. Integrale dargestellt. Den Begriff des Drucks hat uns dieMechanik zu Verfügung gestellt, er basiert auf dem Kraftbegriff, ebenso der Begriff der Arbeit. Wärme ist kein Begriff der Mechanik.
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Notes
- 1.
Es gibt verschiedene Verfahren, die Härte eines Gegenstandes zu klassifizieren. Verschiedene Verfahren klassifizieren auf unterschiedliche Weise. Die Eigenschaft Härte ist also keine universelle physikalische Eigenschaft, sondern hängt von Definitionen und Messverfahren ab, auf die man sich geeinigt hat. Härte ist eine Konvention.
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Im Gegensatz zu einer expliziten Definition wie bei dem Druck, der auf andere bekannte Begriffe (Kraft, Fläche) zurückgeführt wird, nennt man solch ein Vorgehen operationale Definition. Dabei wird nicht gesagt, was der Begriff bedeutet, sondern wie man ihn misst. Es wird eine Operation zur Bestimmung der numerischen Werte angegeben.
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Dies ist schön dargestellt in: Max Planck , Vorlesungen über Thermodynamik, und Hasok Chang , Inventing Temperatur: Measurement and Scientific Progress.
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Der historische Weg dorthin war sehr mühsam. Es war ein langer Prozess, diese beiden Fixpunkte technisch wirklich stabil zu bekommen, das ist sehr schön dargestellt in: Hasok Chang , Inventing Temperatur: Measurement and Scientific Progress.
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Dies wäre nicht verwunderlich, viele Eigenschaften hängen vom Messverfahren ab, und sind nur durch Konvention zu vereinheitlichen, denken Sie z. B. an technische Standards am Beispiel der „Härte“ von oben. Es würde für viele Anwendungen schon reichen, wenn man sich auf einen Standard einigt. Beispiel Fieber: Wenn sich das Flüssigkeitsthermometer um y cm oder das Gasthermometer um x cm ausdehnt, bist Du tot! Mehr muss man an der Stelle nicht wissen, an der Stelle wäre es Ihnen egal, ob die Temperatur nun objektiv existiert oder nicht. Aber der physikalische Temperaturbegriff will mehr, er sagt dass es eine objektive Größe Temperatur gibt.
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Nun erkennt man den Wert der Systemdefinitionen in Abschn. 1.2 etwas besser. Für eine adiabatische Wand ist das Gleichgewicht nur durch die mechanischen Eingriffe definiert, z. B. durch Auflegen oder Herabnehmen von Gewichten, bei einer diathermen Wand hängt das Gleichgewicht zudem noch von dem Zustand des benachbarten Gefäßes ab. Umgekehrt kann man damit die adiabatische und diatherme Wand definieren: Eine adiabatische Wand ist gegeben, wenn sich der Zustand nur durch mechanische Eingriffe ändert, im anderen Fall ist es eine diatherme Wand.
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Erfahrungsgemäß geht jedes isolierte System nach einer bestimmten Zeit, der Relaxationszeit , in den Gleichgewichtszustand über. Dies is analog dem mechanischen Gleichgewicht, wie oben diskutiert.
Beispiele:
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Kurzes Erhitzen eines Topfes mit Wasser: Wie lange benötigt das System, eine gleichmäßige Temperatur zu haben?
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Schnelles Eindrücken eines Kolben führt zu Verwirbelungen. Es dauert eine Zeit bis zur Einstellung des Gleichgewichts. Dies ist ein wichtiges Beispiel. Wenn man den Kolben langsamer bewegt als die Relaxationszeit, wird das System immer im Gleichgewicht sein.
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Eiswürfel in einem Wasserglas.
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Wärmflasche in einem Bett.
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Max Born macht darauf aufmerksam, dass dies schlicht die einfachste Definition ist. Man hätte die Temperatur auch anders definieren können, z. B. über \(T = \left(\frac{pV}{n\textrm{R}}\right)^2\) oder \(T = \sqrt{(\frac{pV}{n\textrm{R}})}\). Allerdings könnte dann der thermodynamische Formalismus insgesamt komplexer werden. (Kritische Betrachtungen zur traditionellen Darstellung der Thermodynamik, S. 218)
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Elstner, M. (2017). Temperatur und Zustandsgleichungen. In: Physikalische Chemie I: Thermodynamik und Kinetik. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-55364-0_2
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