Joachim Schummer: Vorlesung im Sommersemester 1999:

Einführung in die Geschichte und Philosophie der Physik

Kooperationsveranstaltung der Fakultäten für Physik und für Geistes- und Sozialwissenschaften der Universität Karlsruhe (TH)



 

9. Vorlesung:

Wärmelehre: Von der Dampfmaschine zur Naturphilosophie

Copyright Ó 1999 by Joachim Schummer



Vorlesungsüberblick

1. Am Anfang war die Dampfmaschine 1.1 Die erste ‘Industrielle Revolution’ in Europa: 1450-1550

1.2 Die Dampfdruckpumpe von Thomas Savery

1.3 Thomas Newcomens Erfindung der Dampfmaschine

1.4 Erhöhung des Wirkungsgrades: John Smeaton und James Watt

1.5 Neue Allianzen aus Naturwissenschaft und Technik in der Wärmelehre

1.6 Theorien des Wirkungsgrades: Sadi Carnot und Benoit Clapeyron

2. Physikalische Theorienbildung 2.1 Die Natur der Wärme

2.2 Der Energiebegriff und der 1. Hauptsatz der Thermodynamik

2.3 Der Entropiebegriff und der 2. Hauptsatz der Thermodynamik

3. Philosophische Debatten 3.1 Wärmetod und Weltschöpfung

3.2 Probleme der mechanistischen Interpretation des 2. Hauptsatzes: Zeitrichtung, Irreversibilität und Nichtzyklizität

3.3 Boltzmanns statistisch-mechanistische Interpretation der Entropie

3.4 Gegenpositionen zum atomistisch-mechanistischen Weltbild: Positivismus und Energetik

Wichtige Personen
Thomas Savery (1650-1715) 
Thomas Newcomen (1663-1729)
John Smeaton (1724-92)
Joseph Black (1728-99)
James Watt (1736-1819)
Jean Fourier (1768-1830)
Sadi Carnot (1796-1832)
Benoit Clapeyron (1799-1864)
Julius Robert Mayer (1814-78)
James Prescott Joule (1818-89) 
Hermann von Helmholtz (1821-94)
William Thomson, Lord Kelvin (1824-1907)
Rudolph Clausius (1822-88)
Clerk Maxwell (1831-79)
Josiah Williard Gibbs (1839-1903)
Ludwig Boltzmann (1844-1906)
Wilhelm Ostwald (1853-1932)


Materialien


Thomas Saverys Dampfdruckpumpe (1698)


Thomas Newcomens Dampfmaschine (ca. 1710)


James Watts Dampfmaschine (1760er)


Sadi Carnots Analogieinterpretation von Dampfmaschine und Wasserkraftwerk (1824)


 
  Wasserkraftwerk Dampfmaschine
‘Potentialdifferenz’ Höhendifferenz Dh=h1-h2 Temperaturdifferenz DT=T1-T2
Stoffmenge Wassermasse M Wärmemenge Q
maximale Arbeit ~ Dh M ~ DT Q
Ausgangsenergie ~ h1 M ~ T1 Q
max. Wirkungsgrad Dh / h1 DT / T1


Zustandsdiagramm des Wärmekraft-Zyklus nach Watt/Clapeyron (gestrichelte Linie: idealer Carnotscher Kreisprozeß)


Mayers Vergleich von thermischer Expansion gegen mechanische Kraft und thermischer Expansion ins Vakuum (1842)


 Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik

 Es gibt verschiedene Formen einer einheitlichen Energie, für die gilt, daß bei jeder beliebigen Umwandlung der Energieformen ineinander die Gesamtenergie eines Systems erhalten bleibt.

 Übliche mathematische Darstellung:

Clausius’ Entwicklung des 2. Hauptsatzes in Analogie zu Carnot

Erhaltungsgrößen für den idealen Kreisprozeß:
 
Carnot Clausius
Q1 = Q2 Q1/T1 = Q2/T2
Q = const. Sid := Q/T = const.
(T als absolute Temperatur)

Der 2. Hauptsatz:

Bei allen realen Umwandlungsprozessen nimmt die Entropie zu.

Folgerungen aus dem 2. Hauptsatz:


 Literatur

Brush, St.G.: Die Temperatur der Geschichte. Wissenschaftliche und kulturelle Phasen im 19. Jahrhundert, Braunschweig, Vieweg 1987 [i.O.: The Temperature of History. Phases of Science and Culture in the Nineteenth Century, New York 1978].

Brush, St.G.: Kinetic Theory, 3 Bde., Oxford-New York 1965-71.

Brush, Stephen G.: Statistical physics and the atomic theory of matter from Boyle and Newton to Landau and Onsager, Princeton, NJ, Princeton Univ. Pr., 1983. (Math. Bib)

Brush, Stephen G.: The kind of motion we call heat. A history of the kinetic theory of gases in the 19. century, 2 Bde., Amsterdam, North-Holland Publ., 1976. (I: Physics and the atomists; II: Statistical physics and irreversible processes). (UB)

Brush, Stephen G.; Eisenreich, Guenther: Kinetische Theorie. Einführung und Originaltexte, 2 Bde., Berlin, Akad.-Verl., 1970 (I: Die Natur der Gase und der Wärme; II: Irreversible Prozesse). (FBC, FBP)

Cardwell, Donald S.L.: From Watt to Clausius. The rise of thermodynamics in the early industrial age, London, Heinemann, 1971.

Locqueneux, Robert: Préhistoire & histoire de la thermodynamique classique. (une histoire de la chaleur), Paris, Blanchard, 1996.

Martinás, K. (Hg): Thermodynamics: history and philosophy. facts, trends, debates. Veszprém, Hungary, 23 - 28 July 1990. Singapore u.a., World Scientific, 1991.

Prigogine, I.; Stengers, I.: Dialog mit der Natur, München (Piper) 1981.

Smith, Crosbie: Science of energy. A cultural history of energy physics in Victorian Britain, London, Athlone Pr., 1998.

Truesdell, Clifford A.: The tragicomical history of thermodynamics, 1822 - 1854, New York, Springer, 1980.