Wärme

Geschichte

Im 18. Jahrhundert sah man die Wärme als gewichtslosen Stoff, der in die feinsten Poren eindringt und so zum Beispiel die Ausdehnung der Thermometerflüssigkeit verursacht. Diese Wärme bezeichnete man als "Caloricum" oder auch "Phlogiston". Die Stofftheorie der Wärme kam 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:

• Rumford ließ einen stumpfen Bohrer im Inneren eines Kanonenrohres laufen. Nach kurzer Zeit wurden das 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 durch den Bohrvorgang aus dem Stahl ausgetrieben wird, dann müsste der Wärmestoff irgendwann zur Neige gehen. Da dies aber nicht der Fall war, bekam man Zweifel an der Phlogiston-Theorie.

Sadi Carnot hat 1824 in seiner berühmten Arbeit "Réflexions sur la puissance motrice du feu" einen theoretischen Prozess eingeführt, um die von einer Dampfmaschine maximal freiseztbare Energie abzuschätzen. Carnot argumentiert mit einem Wärmestoff (calorique), der wie das Wasser im Wasserfall von einem hohen zu einem tiefen Nivau (Temperatur) fällt und dabei bewegende Kraft (puissance motrice) freisetzt. Leider ist diese geniale Argumentation von Carnot später falsch interpretiert worden.

Mitte des 19. Jahrhunderts haben Robert Mayer, James Prescott Joule und Hermann von Helmholtz gezeigt, dass Wärme eine Übertragungsform der Energie ist. Trotzdem ist die heute allgemein anerkannte Definition der Wärme als thermische Energieübertragungsform ein Unding. Zwei Einwände gilt es zu hinterfragen

• Was heisst thermisch? Wie kann eine einzige Grösse, die Energie, in verschiedenen Formen in Erscheinung treten?
• 1905 hat Albert Einstein gezeigt, dass Energie und Masse identische Grössen sind. Fasst man die Einsteinsche Äquivalenz von Energie und Masse mit der Definition der Wärme als Übertragungsform zusammen, wäre Wärme eine Übertragungsform der Masse. Ist dies eine hinreichende Erklärung der vielen thermischen Phänomene, die wir in der Natur vorfinden?

Theorie

Die Physik der dynamischen Systeme bringt all die Unstimmigkeiten und zum Teil hilflosen Erklärungsversuche der vergangenen Epochen auf den Punkt:

• Die eigentliche Wärme, die bilanzierfähige Primärgrösse der Thermodynamik, ist die Entropie S mit der Einheit J/K. Entropie kann gespeichert, übertragen und erzeugt werden.
• Das thermische Potenzial ist die absolute Temperatur T mit der Einheit Kelvin (K).
• Energie W wird als zugeordneter Energiestrom (Einheit Watt W) vom Entropiestrom transportiert:
  • [math]I_W = T I_S[/math]
• Energie wird in einem thermischen Prozess als Leistung (Einheit Watt W) vom Entropiestrom freigesetzt oder aufgenommen:
  • [math]P = \Delta T I_S[/math]

Sadi Carnot hat diese Zusammenhänge klar gesehen:

• Das Wasser des Wasserfalles entspricht der thermisch fallenden Entropie.
• Die Fallhöhe oder etwas präziser die Differenz des Gravitationspotenzials enspricht der Temperaturdifferenz.
• Mit der treibenden Kraft des Wasser oder des Wärmestoffes hat Carnot - wie damals üblich - die Energie gemeint.

Das einzige, was Carnot nicht gesehen hat, ist die Tatsache, dass Entropie erzeugt werden kann und die Energie dafür erhalten bleibt:

• Fällt Wasser unkontrolliert über einen Wasserfall, bleibt die Masse erhalten. Die treibende Kraft, die Energie, geht verloren, weil Entropie erzeugt wird. Die Energie hat als treibende Kraft der Mechanik ausgedient, weil sie danach an die Entropie gebunden ist.
• Fliesst Wärme von einem heissen zu einem kalten Körper, geht die treibende Kraft, die Energie, verloren, weil Entropie erzeugt wird. Bei der Wärmeleitung kann die mitfliessende Energie nicht als treibende Kraft genutzt werden, weil sie längs des Transportprozesses bei sinkender Temperatur auf einen immer stärker werdenden Entropiestrom umgeladen wird.

Carnot hat geglaubt, dass der Wärmestoff erhalten bleit und die treibende Kraft bei unsorgfälltiger Prozessführung vernichtet wird. Hätte er gemerkt, dass Entropie bei allen reibungsbehafteten Prozessen produziert wird, und dass die Energie ihre treibende Kraft verliert, sobald sie von der produzierten Entropie gebunden wird, wäre die Geschichte der Thermodynamik gradliniger verlaufen.