Ph 09Geschichte |
Die Geschichte vom Wärmestoff - Allgemeiner Energieerhaltungssatz |
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Im 18. Jahrhundert war man überzeugt, dass Wärme ein gewichtsloser Stoff ist, dem man den Namen "Caloricum" oder auch "Phlogiston" gab.
- Man war der Meinung, dass das Caloricum beim Erwärmen eines Stoffes in dessen feinste Poren eindringt, was zu dessen Ausdehnung führt. So glaubte man z.B. auch die Ausdehnung einer Thermometerflüssigkeit verstehen zu können.
- Presst man die Luft in einer Luftpumpe zusammen, so entweicht die Wärme in Form des Caloricums aus der Pumpe.
Die Stofftheorie der Wärme war weit verbreitet, sie kam jedoch am Ende des 18. Jahrhunderts u.a. durch Experimente in der bayerischen Kanonenbohrerei in München in Schwierigkeiten. Im Jahre 1798 unternahm Benjamin Tompson, der spätere Graf Rumford folgenden Versuch:
Modell des Versuches von Graf Rumford (Deutsches Museum, München)
Er nahm stumpfe Stahlbohrer und ließ sie im Inneren von Kanonenrohren laufen. Nach kurzer Zeit wurden die Rohre glühend heiß, und das zur Kühlung verwendete Wasser kam zum Sieden. Der Versuch nahm auch nach sehr vielen Wiederholungen immer den gleichen Ausgang. Wenn Wärme ein Stoff wäre, der im Stahl der Kanonenrohre gebunden ist und durch die Erschütterung beim Bohren freigesetzt wird, dann müsste der Wärmestoff irgendwann zur Neige gehen. Da dies aber nicht der Fall war, bekam man Zweifel an der Phlogiston-Theorie.
Es dauerte nicht lange da setzte sich bei einer Reihe von Gelehrten die Meinung durch, dass Wärme mit der Energie (die man damals noch als "Kraft" bezeichnete) etwas zu tun haben muss.
Hinweis:
Unter Kraft verstand man zu dieser Zeit sowohl die Ursache für eine Bewegungsänderung (wird auch heute noch als Kraft bezeichnet) als auch das Arbeitsvermögen. Erst Lord Kelvin beseitigte diese Begriffsverwirrung, indem er den Energiebegriff einführte, der bis heute Gültigkeit hat.
| Der deutsche Arzt Robert Mayer (1842) schrieb: "Fallkraft (heutiger Begriff: potentielle Energie), Bewegung (kinetische Energie), Wärme, Licht und Elektrizität sind ein- und dasselbe Objekt in verschiedenen Erscheinungsformen".
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Robert Mayer 1814-1878 |
| Mayer beließ es nicht nur bei Spekulationen, er wandelte mit einem Apparat (vgl. nebenstehendes Bild aus dem Deutschen Museum, München) potenzielle Energie in Wärme um und bestimmte einen quantitativen Zusammenhang (früher sagte man dazu: Mechanisches Wärmeäquivalent). |
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| Noch etwas gründlicher als Robert Mayer untersuchte der englische Bierbrauer James Prescott Joule (1818-1889) den Zusammenhang zwischen mechanischer Arbeit und Erwärmung (ihm zu Ehren nennt man die Einheit von Arbeit und Energie: 1 Joule = 1 J) mit seiner berühmten Anordnung. |
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Die absinkenden Gewichtsstücke versetzten eine Rührwerk in Rotation. Das in einem Kalorimeter befindliche kalte Wasser wurde durch die Schaufeln des Rührwerkes erwärmt und die Temperaturerhöhung festgestellt. Mit seiner Anordnung konnte Joule einen sehr präzisen Zusammenhang zwischen der potenziellen Energie und der mit der Temperaturerhöhung verbundenen Zunahme der inneren Energie herstellen (der Begriff innere Energie wurde jedoch zu dieser Zeit noch nicht benutzt).
Im Jahre 1848 formulierte dann der deutsche Physiker Helmholtz in seiner Schrift "Über die Erhaltung der Kraft " den allgemeinen Energiesatz, der in heutiger Formulierung lautet:
In einem abgeschlossenen System (d.h. in einem System, dem von außen weder Energie zugeführt noch entzogen wird) in dem sich beliebige (mechanische, thermische, elektrische, chemische) Vorgänge abspielen, bleibt die vorhandene Gesamtenergie erhalten.
Nach diesem Satz ist es klar, dass es kein Perpetuum Mobile geben kann.
1. Aufgabe: Überlegungen des Robert Mayer Lösung |
2. Aufgabe: Versuch von Joule - Historische Einheiten Lösung |
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