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--- grundlagen:was_ist_waerme [2023/09/08 10:50] – ['Wärme' ist eine Energieform] wfeist
+++ grundlagen:was_ist_waerme [2024/04/27 23:36] (aktuell) – [Kinetische Theorie der Wärme] wfeist
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 Die Eigenschaften der meisten Körper ändern sich, wenn ihre Temperatur sich ändert. Einige dieser Veränderungen treten plötzlich ein; sie dienen((in der Messtechnik)) zur Markierung bestimmter fester Punkte auf einer Temperatur-Skala; andere gehen stetig vor sich und können zur Messung beliebiger Temperaturen durch Vergleich mit jenen festen Punkten verwendet werden.\\
-So ist z. B. die //**Temperatur, bei welcher Eis schmilzt**//, unter gleichen Umständen, insbesondere unter gleichem Druck stets die gleiche; ebenso zeigt die Erfahrung, dass der Dampf, welcher aus kochendem Wasser aufsteigt, bei gleichem Drucke stets dieselbe Temperatur hat((wenn diese unmittelbar nach dem Verdampfen gemessen wird und nicht erst, nach dem dieser schon in der Umgebung wieder abgekühlt wurde)). Diese beiden Vorgänge, das Schmelzen des Eises und das Kochen des Wassers, machen also zwei ganz bestimmte Temperaturen dem Auge sichtbar; und wenn wir diese als Fixpunkte wählen, so haben wir uns unserem Wärmegefühl unabhängig gemacht; denn jene beiden Punkte hängen nur noch von den Eigenschaften des Wassers ab((Diese 'empirische' Tatsache ist milliardenfach experimentell bestätigt. Ein gutes Beispiel für die Arbeitsweise der Wissenschaft: Zunächst ist so eine Aussage eine 'Hypothese'. Sie lässt sich leicht von jedem mit einem sorgfältig ausgeführten Versuchsaufbau überprüfen (heute natürlich noch viel leichter als vor 150 Jahren!). Jede (ja wirklich: jede!) solche durchgeführte Überprüfung hat bisher in jedem Fall keinen Widerspruch zu dieser Hypothese ergeben. Ja, weiter noch, Milliarden von tausendfach genutzten technischen Systemen wurde unter Vertrauen auf diese Hypothese gebaut - und haben IMMER zuverlässig funktioniert (bzw., wenn nicht, hatte das leicht erkennbare ganz andere Gründe). Und viel weiter noch: Ganze weiterführende naturwissenschaftlich formulierte Erkenntnisse (ein Beispiel ist die Berechnung von Trocknungsprozessen) beruhen auf dieser Aussage und haben sich ebenfalls in allen Fällen bewährt. Und erheblich weiter noch: Die grundlegenden physikalischen Mechanismen, welche den Siedepunkt bestimmen, sind heute auf der Basis der Quantenmechanik fundamental verstanden - d.h., heute 'wundert' es keine Physiker mehr, dass diese Hypothese immer wieder bestätigt wurde. Ist eine solcher Zustand bzgl. der Validität einer Aussage erreicht, ist sie erkenntnistheoretisch in den Rang einer "Theorie" gehoben. M.a.W.: Eine physikalische Theorie ist heute mit das sicherste überhaupt, was wir wissen.)).\\
+So ist z. B. die //**Temperatur, bei welcher Eis schmilzt**//, unter gleichen Umständen, insbesondere unter gleichem Druck stets die gleiche; ebenso zeigt die Erfahrung, dass der Dampf, welcher aus kochendem Wasser aufsteigt, bei gleichem Drucke stets dieselbe Temperatur hat((wenn diese unmittelbar nach dem Verdampfen gemessen wird und nicht erst, nach dem dieser schon in der Umgebung wieder abgekühlt wurde)). Diese beiden Vorgänge, das Schmelzen des Eises und das Kochen des Wassers, machen also zwei ganz bestimmte Temperaturen dem Auge sichtbar; und wenn wir diese als Fixpunkte wählen, so haben wir uns unserem Wärmegefühl unabhängig gemacht; denn jene beiden Punkte hängen nur noch von den Eigenschaften des Wassers ab((Diese 'empirische' Tatsache ist milliardenfach experimentell bestätigt. Ein gutes Beispiel für die Arbeitsweise der Wissenschaft: Zunächst ist so eine Aussage eine 'Hypothese'. Sie lässt sich leicht von jedem mit einem sorgfältig ausgeführten Versuchsaufbau überprüfen (heute natürlich noch viel leichter als vor 150 Jahren!). Jede (ja wirklich: jede!) solche durchgeführte Überprüfung hat bisher in jedem Fall keinen Widerspruch zu dieser Hypothese ergeben. Ja, weiter noch, Milliarden von tausendfach genutzten technischen Systemen wurde unter Vertrauen auf diese Hypothese gebaut - und haben IMMER zuverlässig funktioniert (bzw., wenn nicht, hatte das leicht erkennbare ganz andere Gründe). Und viel weiter noch: Ganze weiterführende naturwissenschaftlich formulierte Erkenntnisse (ein Beispiel ist die Berechnung von Trocknungsprozessen) beruhen auf dieser Aussage und haben sich ebenfalls in allen Fällen bewährt. Und erheblich weiter noch: Die grundlegenden physikalischen Mechanismen, welche den Siedepunkt bestimmen, sind heute auf der Basis der Quantenmechanik fundamental verstanden - d.h., heute 'wundert' es keine Physiker mehr, dass diese Hypothese immer wieder bestätigt wurde. Ist ein solcher Zustand bzgl. der Validität einer Aussage erreicht, ist sie erkenntnistheoretisch in den Rang einer "Theorie" gehoben. M.a.W.: Eine physikalische Theorie ist heute mit das sicherste überhaupt, was wir wissen.)).\\
 Andere Zustandsänderungen, welche auch bei mehr oder weniger konstanten Temperaturen eintreten, z. B. das Schmelzen von Wachs oder Blei, und das Kochen von Flüssigkeiten von bestimmter Zusammensetzung, werden gelegentlich angewendet, um anzuzeigen, dass die betreffende Temperatur erreicht ist; die wichtigsten Vorgänge für die Bestimmung solcher Fixpunkte bleiben aber immer das Schmelzen des Eises und das Kochen des Wassers unter Normaldruck.\\
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 {{ :grundlagen:gluehende_bremsscheibe_signatech_alpine_at_night.jpg?200|Glühende Bremsscheibe eines Rennwagens; Bild von
-Author Nic Redhead / https://www.flickr.com/photos/somethingness/14444164142/ unter CC BY-SA 2.0}}Diesen Einblick haben wir nun in der Tat durch Experimente über Reibung gewonnen, bei denen mechanische Arbeit nicht von einem Teile der Maschine auf einen andern übertragen wurde, sondern sichtlich verloren ging, während gleichzeitig an derselben Stelle Wärme erzeugt wurde, und zwar eine Wärmemenge, welche in einem ganz bestimmten Verhältnisse zu dem Betrage der verlorenen Arbeit stand((Diese Erfahrung hat heute jeder Radfahrer, der eine lange Strecke von einem Berg herunter 'gebremst' hat. Die Bremse wandelt dabei mechanische kinetische Energie in Wärme um. Die Bremsklötze und -scheiben werden dabei schnell sehr heiß - oftmals bis zur Glut. //Wer hat ein selbst fotografiertes 'public domain' Bild dazu zur Illustration? Thanks to @TobiasBarth9 with this//. Für die Praxis der Energieeffizienz: Hier wird direkt sichtbar, wo die Energie, die wir in einem Fahrzeug aufbringen, letztendlich "eigentlich" bleibt.)). Wir haben also Grund anzunehmen, dass die Wärme von derselben Natur wie mechanische Arbeit, d. h. dass sie eine der Formen ist, in welchen die Energie auftritt.\\
+Author Nic Redhead / https://www.flickr.com/photos/somethingness/14444164142/ unter CC BY-SA 2.0}}Diesen Einblick haben wir nun in der Tat durch Experimente über Reibung gewonnen, bei denen mechanische Arbeit nicht von einem Teile der Maschine auf einen andern übertragen wurde, sondern sichtlich verloren ging, während gleichzeitig an derselben Stelle Wärme erzeugt wurde, und zwar eine Wärmemenge, welche in einem ganz bestimmten Verhältnisse zu dem Betrage der verlorenen Arbeit stand((Diese Erfahrung hat heute jeder Radfahrer, der eine lange Strecke von einem Berg herunter 'gebremst' hat. Die Bremse wandelt dabei mechanische kinetische Energie in Wärme um. Die Bremsklötze und -scheiben werden dabei schnell sehr heiß - oftmals bis zur Glut. //Wer hat ein selbst fotografiertes 'public domain' Bild dazu zur Illustration? Thanks to @TobiasBarth9 with this//. Für die Praxis der Energieeffizienz: Hier wird direkt sichtbar, wo die Energie, die wir in einem Fahrzeug aufbringen, letztendlich "eigentlich" bleibt. Übrigens: Diese ganz grundsätzliche Erkenntnis hat hohe praktische Bedeutung für die beim Verkehr eingesetzte Antriebsenergie. Wir haben das hier ausführlicher dargestellt: [[/energieeffizienz_jetzt/das_grosse_ganze#energiedienstleistung_verkehr|Energiedienstleistung Verkehr.]])). Wir haben also Grund anzunehmen, dass die Wärme von derselben Natur wie mechanische Arbeit, d. h. dass sie eine der Formen ist, in welchen die Energie auftritt.\\
 <sub><**Illustration rechts**: Rennwagen bauen eine hohe (klassisch mechanische) Bewegungsenergie auf. **Beim Bremsen wird die Energie (die gesamte Energiedifferenz!) in die Energieform "Wärme" umgewandelt((Mechanische Energie lässt sich vollständig in die Energieform 'Wärme' umwandeln (z.B. durch Reibung). Der umgekehrte Prozess läuft leider nicht so problemlos, wir behandeln das später genauer: Da kommt nämlich der 2. Hauptsatz der Thermodynamik ins Spiel.)).** Dieses Bild von Nic Redhead zeigt die glühende Bremsscheibe eines Rennwagens. J.P. Joule hatte die Umwandlung mechanischer Energie in Wärme erstmals klar beschrieben und experimentell das "Wärmeäquivalent" bestimmt - darauf greift Maxwell hier zurück. Heute ist das Phänomen "Allgemeinwissen", wenngleich im vollen Umfang seiner Konsequenz nicht wirklich verantwortlich angewendet: Das gewaltige Down-Cycling wertvoller kinetischer Energie in letztlich an die Umwelt abgeführte wertlose Wärme sollten wir besser stark reduzieren; was z.B. durch Generatorbremsung mit einem Elektrofahrzeug dann gelingt, wenn nicht allzu "sportlich" gebremst werden muss. //Verwendet unter CC BY-SA 2.0; Ausschnitt des Originalbildes.//> </sub>
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   * Strahlung (von den elektrisch geladenen herumtanzenden Molekülen abgestrahlte elektromagnetische Wellen) übertragen werden; und der Netto-Transport geht immer in Richtung zum System mit der niedrigeren Temperatur (weniger heftigen Bewegung).
-Die Nützlichkeit dieses Modells geht aber viel weiter als nur diese qualitativen Aussagen. Mit etwas klassischer Physik und ein ein paar Rechenumformungen können aus dem Modellbild z.B. die Vorgänge in Gasen((genauer: in idealen Gasen)) mit hoher Genauigkeit quantitativ vorhergesagt werden. Zunächst mysteriös erscheinende Effekt werden sofort einsichtig((wie z.B. die "höhere" massenbezogen Wärmekapazität von Wasserstoff gegenüber Stickstoff)). Wir behandeln das auf einer Folgeseite, wieder Maxwell folgend, genauer - für alle die, welche die Mysterien der Thermodynamik schon immer einmal gelüftet sehen wollten.
+Die Nützlichkeit dieses Modells geht aber viel weiter als nur diese qualitativen Aussagen. Mit etwas klassischer Physik und ein ein paar Rechenumformungen können aus dem Modellbild z.B. die Vorgänge in Gasen((genauer: in idealen Gasen)) mit hoher Genauigkeit quantitativ vorhergesagt werden. Zunächst mysteriös erscheinende Effekt werden sofort einsichtig((wie z.B. die "höhere" massenbezogen Wärmekapazität von Wasserstoff gegenüber Stickstoff)). Wir behandeln das auf [[/grundlagen/bauphysikalische_grundlagen/waermekapazitaet_idealer_gase#das_klassische_modell_eines_idealen_gases|dieser Folgeseite]], wieder Maxwell folgend, genauer - für alle die, welche die Mysterien der Thermodynamik schon immer einmal gelüftet sehen wollten.
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