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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“