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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Gesetz der Energieeinsparung. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Die wichtigste Errungenschaft der Naturwissenschaft ist die Aufstellung des Energieerhaltungssatzes. Die Bedeutung dieses Gesetzes geht weit über die Grenzen eines bestimmten physikalischen Gesetzes hinaus. Anstelle des Massenerhaltungsgesetzes bildet dieses Gesetz den Grundstein des wissenschaftlich-materialistischen Weltbildes und bringt die Tatsache der Unzerstörbarkeit von Materie und Bewegung zum Ausdruck. Eigentlich waren die philosophischen Voraussetzungen für eine solche Aussage bereits vorhanden. Sie gehörten auch zu den antiken Philosophen, insbesondere den Atomisten, und Descartes, und wurden besonders konkret und deutlich in gesehen Lomonosov. 1807 richtete der französische Physiker und Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac, ein Mitglied der Pariser Akademie der Wissenschaften, ein Experiment ein, das die Eigenschaften von Gasen untersuchte. Zuvor war bereits bekannt, dass sich das komprimierte Gas beim Ausdehnen abkühlt. Der Wissenschaftler schlug vor, dass dies daran liegen könnte, dass die Wärmekapazität des Gases von seinem Volumen abhängt. Er beschloss, es zu überprüfen. Gay-Lussac ließ das Gas aus einem Gefäß ins Leere expandieren, das heißt in ein anderes Gefäß, aus dem zuvor die Luft evakuiert worden war. Zur Überraschung aller Wissenschaftler, die das Experiment beobachteten, trat kein Temperaturabfall auf, die Temperatur des gesamten Gases änderte sich nicht. Das erhaltene Ergebnis rechtfertigte die Annahmen des Wissenschaftlers nicht und er verstand die Bedeutung des Experiments nicht. Gay-Lussac machte eine wichtige Entdeckung und bemerkte sie nicht. Eine sehr wichtige Rolle bei der Entwicklung der Lehre von der Wandlungsfähigkeit der Naturkräfte spielte die Forschung des russischen Wissenschaftlers Emil Christianowitsch Lenz, insofern an die Forschung angrenzend Faraday. Seine bemerkenswerten Arbeiten zur Elektrizität haben eine klare Energieorientierung und haben wesentlich zur Stärkung des Rechts beigetragen. Daher nimmt Lenz zu Recht einen der ersten Plätze in der Galaxie der Schöpfer und Verstärker des Energieerhaltungsgesetzes ein. Der erste, der dieses große naturwissenschaftliche Gesetz richtig formulierte, war der deutsche Arzt Robert Mayer. Robert Julius Mayer (1814–1878) wurde in Heilbronn in eine Drogistenfamilie geboren. Nach dem Abitur trat Mayer in die Medizinische Fakultät der Universität Tübingen ein. Hier besuchte er keine mathematischen und physikalischen Kurse, sondern studierte gründlich Chemie bei Gmelin. Die Universität in Tübingen schaffte er nicht ohne Unterbrechung. Er wurde festgenommen, weil er an einer verbotenen Versammlung teilgenommen hatte. Im Gefängnis trat Mayer in einen Hungerstreik und wurde am sechsten Tag nach seiner Festnahme unter Hausarrest entlassen. Von Tübingen ging Mayer nach München, dann nach Wien. Im Januar 1838 durfte er schließlich in seine Heimat zurückkehren. Hier bestand er die Prüfungen und verteidigte seine Dissertation. Mayer fasste bald den Entschluss, als Schiffsarzt auf ein niederländisches Schiff nach Indonesien zu gehen. Diese Reise spielte eine wichtige Rolle bei seiner Entdeckung. Als er in den Tropen arbeitete, bemerkte er, dass die Farbe des venösen Blutes der Bewohner eines heißen Klimas heller und scharlachrot ist als die dunkle Farbe des Blutes der Bewohner des kalten Europas. Mayer hat die Helligkeit des Blutes bei den Tropenbewohnern richtig erklärt: Durch die hohe Temperatur muss der Körper weniger Wärme produzieren. Schließlich frieren die Menschen in einem heißen Klima nie. Daher wird arterielles Blut in heißen Ländern weniger oxidiert und bleibt fast gleich rot, wenn es in die Venen gelangt. Mayer stellte eine Vermutung auf: Würde sich die vom Körper abgegebene Wärmemenge ändern, wenn die gleiche Menge Nahrung oxidiert wird, wenn der Körper zusätzlich zur Wärmeabgabe noch arbeitet? Ändert sich die Wärmemenge nicht, so kann aus der gleichen Nahrungsmenge mehr oder weniger Wärme gewonnen werden, da beispielsweise durch Reibung Arbeit in Wärme umgewandelt werden kann. Ändert sich die Wärmemenge, dann verdanken Arbeit und Wärme ihren Ursprung derselben Quelle – der im Körper oxidierten Nahrung. Denn Arbeit und Wärme können ineinander umgewandelt werden. Diese Idee ermöglichte es Mayer sofort, Gay-Lussacs Experiment aufzuklären und zu rätseln. Wenn sich Wärme und Arbeit gegenseitig umwandeln, dann sollte bei der Expansion von Gasen ins Vakuum, wenn es keine Arbeit leistet, das Gas nicht gekühlt werden, da der Volumenvergrößerung keine Druckkraft entgegensteht. Wenn das Gas bei seiner Ausdehnung Arbeit gegen äußeren Druck verrichten muss, dann soll seine Temperatur sinken. Aber wenn Wärme und Arbeit ineinander übergehen können, wenn diese physikalischen Größen ähnlich sind, dann stellt sich die Frage nach dem Verhältnis zwischen ihnen. Mayer wollte herausfinden: Wie viel Arbeit ist nötig, um eine bestimmte Wärmemenge abzugeben und umgekehrt? Zu dieser Zeit war bekannt, dass zum Erhitzen eines Gases bei konstantem Druck, wenn sich das Gas ausdehnt, mehr Wärme benötigt wird als zum Erhitzen des Gases in einem geschlossenen Behälter. Das heißt, die Wärmekapazität eines Gases bei konstantem Druck ist größer als bei konstantem Volumen. Diese Mengen waren bereits bekannt. Es wurde jedoch festgestellt, dass beide von der Art des Gases abhängen: Der Unterschied zwischen ihnen ist für alle Gase fast gleich. Mayer erkannte, dass dieser Wärmeunterschied auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass das Gas bei der Expansion Arbeit leistet. Die Arbeit, die ein Mol eines expandierenden Gases bei einer Erwärmung um ein Grad verrichtet, lässt sich leicht bestimmen. Jedes Gas mit geringer Dichte kann als ideal angesehen werden – seine Zustandsgleichung war bekannt. Wenn man ein Gas um ein Grad erhitzt, dann vergrößert sich sein Volumen bei konstantem Druck um einen bestimmten Betrag. So fand Mayer heraus, dass für jedes Gas die Differenz zwischen der Wärmekapazität des Gases bei konstantem Druck und der Wärmekapazität des Gases bei konstantem Volumen eine Größe ist, die als Gaskonstante bezeichnet wird. Sie hängt von der Molmasse und der Temperatur ab. Diese Gleichung trägt jetzt seinen Namen. Gleichzeitig mit Mayer und unabhängig von ihm wurde das Gesetz der Erhaltung und Umwandlung der Energie entwickelt Joule и Helmholtz. Helmholtz' mechanischer Ansatz, den er selbst als eng erkennen musste, ermöglichte es, ein absolutes Maß für „lebende Kraft“ festzulegen und alle möglichen Energieformen entweder in Form von kinetischer („lebender Kraft“) oder potentieller ( „Spannungskräfte“). Die Größe der umgewandelten Bewegungsform lässt sich an der Größe jener mechanischen Arbeit messen, die z. B. beim Heben einer Last erzielt werden könnte, wenn die ganze verschwundene Bewegung für dieses Heben aufgewendet würde. Die experimentelle Begründung des Prinzips besteht zunächst im Nachweis der quantitativen Sicherheit dieser Arbeit. Joules klassische Experimente waren diesem Problem gewidmet. James Prescott Joule (1818-1889) – Bierbrauer aus Manchester – begann mit der Erfindung elektromagnetischer Apparate. Diese Geräte und die mit ihnen verbundenen Phänomene sind zu einer konkreten anschaulichen Manifestation der Wandlungsfähigkeit physikalischer Kräfte geworden. Zunächst untersuchte Joule die Gesetzmäßigkeiten der Wärmeerzeugung durch elektrischen Strom. Da Versuche mit galvanischen Quellen (1841) es nicht ermöglichten festzustellen, ob die durch den Strom im Leiter entwickelte Wärme nur die übertragene Wärme chemischer Reaktionen in der Batterie war, entschied sich Joule, mit Induktionsstrom zu experimentieren. Er legte eine Spule mit Eisenkern in ein geschlossenes Gefäß mit Wasser, die Enden der Spulenwicklung wurden mit einem empfindlichen Galvanometer verbunden. Die Spule wurde zwischen den Polen eines starken Elektromagneten in Rotation versetzt, durch dessen Wicklung Strom von der Batterie geleitet wurde. Die Anzahl der Umdrehungen der Spule erreichte 600 pro Minute, während abwechselnd eine Viertelstunde die Wicklung des Elektromagneten geschlossen war, eine Viertelstunde offen war. Die im zweiten Fall durch Reibung freigesetzte Wärme wurde von der im ersten Fall freigesetzten Wärme abgezogen. Joule fand heraus, dass die durch induktive Ströme erzeugte Wärmemenge proportional zum Quadrat der Stromstärke ist. Da in diesem Fall die Ströme durch mechanische Bewegung entstanden sind, kam Joule zu dem Schluss, dass Wärme durch mechanische Kräfte erzeugt werden kann. Außerdem stellte Joule fest, indem er die Drehung der Hand durch die Drehung eines fallenden Gewichts ersetzte, dass „die Wärmemenge, die 1 Pfund Wasser um 1 Grad erwärmen kann, gleich ist und in mechanische Kraft umgewandelt werden kann, die ist in der Lage, 838 Pfund auf eine vertikale Höhe von 1 Fuß zu heben. Diese Ergebnisse wurden von ihm in der Arbeit "On the Thermal Effect of Magnetoelectricity and the Mechanical Significance of Heat" zusammengefasst, die am 21. August 1843 in der Physical and Mathematical Section der British Association veröffentlicht wurde. Schließlich entwickelt Joule in den Arbeiten von 1847-1850 seine Hauptmethode, die in Physiklehrbücher aufgenommen wurde. Es gibt die perfekteste Definition des mechanischen Äquivalents von Wärme. Das Metallkalorimeter war auf einer Holzbank montiert. Innerhalb des Kalorimeters befindet sich eine Achse, die die Klingen oder Flügel trägt. Diese Flügel befinden sich in vertikalen Ebenen, die einen Winkel von 45 Grad zueinander bilden (acht Reihen). An den Seitenwänden sind in radialer Richtung vier Plattenreihen angebracht, die die Rotation der Schaufeln nicht verhindern, aber die Bewegung der gesamten Wassermasse verhindern. Zur Wärmedämmung wird die Metallachse durch einen Holzzylinder in zwei Teile geteilt. Am äußeren Ende der Achse befindet sich ein Holzzylinder, auf dem zwei Seile in gleicher Richtung aufgewickelt sind und die Oberfläche des Zylinders an gegenüberliegenden Stellen verlassen. Die Enden der Seile sind an festen Blöcken befestigt, deren Achsen auf leichten Rädern liegen. Auf der Achse sind Seile gewickelt, die Lasten tragen. Die Höhe des Warenfalls wird durch Schienen gemessen. Als nächstes bestimmt das Joule-Äquivalent durch Messen der Wärme, die durch die Reibung von Gusseisen auf Gusseisen entsteht. Eine gusseiserne Platte, die sich im Kalorimeter um eine Achse dreht. Ringe gleiten frei entlang der Achse und tragen einen Rahmen, ein Rohr und eine Scheibe, die in Form an einer Gusseisenplatte befestigt sind. Mit Hilfe einer Stange und eines Hebels können Sie Druck ausüben und die Scheibe gegen die Schallplatte drücken. Joule führte 1878 die letzten Messungen des mechanischen Äquivalents durch. Mayers Berechnungen und Joules Experimente beendeten den zweihundertjährigen Streit über die Natur der Wärme. Das erfahrungsbewiesene Prinzip der Äquivalenz von Wärme und Arbeit lässt sich wie folgt formulieren: In allen Fällen, in denen Arbeit aus Wärme entsteht, wird eine Wärmemenge verbraucht, die gleich der aufgenommenen Arbeit ist, und umgekehrt, wenn Arbeit verbraucht wird, dieselbe Menge Wärme gewonnen wird. Diese Schlussfolgerung wurde als erster Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet. Nach diesem Gesetz kann Arbeit in Wärme umgewandelt werden und umgekehrt – Wärme in Arbeit. Darüber hinaus sind diese beiden Werte einander gleich. Diese Schlussfolgerung gilt für den thermodynamischen Zyklus, in dem das System auf die Anfangsbedingungen reduziert werden muss. Somit ist für jeden Kreisprozess die vom System verrichtete Arbeit gleich der vom System aufgenommenen Wärme. Die Entdeckung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik bewies, dass es unmöglich war, ein Perpetuum Mobile zu erfinden. Zuerst wurde der Energieerhaltungssatz so genannt: „Ein Perpetuum mobile ist unmöglich.“ Autor: Samin D. K.
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