X. Grundlagen der Wärmelehre


X.1 Temperatur

X.2 Wärme und Wärmemenge

X.3 Aggregatzustände




Im ersten Teil der Experimentalphysik, Mechanik, haben wir die Grundlagen geschaffen, Bewegung von einzelnen Massepunkten und später von starren Körpern zu berechnen. Wir hatten festgestellt, daß die Ursache dieser Bewegungen Kräfte sind. Diese Kräfte konnten wir untersuchen und die funktionale Beziehungen zwischen den Kräften und verschiedenen Bewegungsformen der Körper analysieren. Bei diesen Untersuchungen mußten wir weder den Aufbau der Körper noch die Struktur seiner Materie kennen. Unter diesen Voraussetzungen konnten wir mit Hilfe derselben Bewegungsgesetze, die wir für feste Körper entwickelt hatten, die Kinematik und Dynamik von Flüssigkeiten oder Gasen betrachten.

In den nun folgenden Teilen Experimentalphysik wollen wir auf den Aufbau, die Erscheinungsformen von Materie und deren Änderungen genauer eingehen. Wichtig sind hier vor allem die Abhängigkeit von der Temperatur und umgekehrt die Temperaturänderung in Abhängigkeit von der Zustandsänderung der Stoffe.

Um die Erscheinungsformen der Materie und deren Änderungen zu untersuchen, gibt es zwei unterschiedliche Methoden:


1) Die Statistische Mechanik betrachtet den Aufbau der Stoffe aus Atomen und Molekülen und erfaßt die makroskopischen Veränderungen beim Energieaustausch in thermodynamischen Systemen mit Hilfe der Statistik. Die bereits formal bekannten Größen Temperatur und Wärmemenge werden als statistische Größen anschaulich deutbar über das Verhalten der Mikroteilchen. Die fundierte Anwendung dieser Methode setzt größere Kenntnisse der mathematischen Statistik voraus.


2) Die thermodynamische Methode beruht auf der mikroskopischen Betrachtung experimenteller Größen bei der Veränderung eines Systems in Folge von Energieumwandlung. Im Gegensatz zur Mechanik werden nun Temperaturänderungen oder Wärme als wichtigste Energieform berücksichtigt. Im Gegensatz zur statistischen Mechanik werden keine speziellen Vorstellungen über die Natur der Wärme entwickelt. Auch die Vorgänge im Inneren der Stoffe werden nicht mehr betrachtet. Die Thermodynamik beobachtet vor allem die sogenannten Zustandsparameter, z.B. Temperatur und Entropie.

Wie in dieser Erklärung bereits deutlich wurde, sind die beiden zentralen Begriffe der Wärmelehre die Begriffe Wärmemenge und Temperatur. Die Wärmemenge ist eine Form der Energie, die sich in der ungeordneten Bewegung der Molekülen auch im einzelnen deuten läßt als mittlere mechanische Energie dieser Moleküle. Im Gegensatz dazu beschreibt die Temperatur den thermischen Zustand, das heißt den Wärmezustand, eines makroskopischen Körpers. Die Temperatur ist dabei eine neue Basisgröße, für die zuerst eine Einheit und eine Skala festgelegt werden muß, um Messungen durchführen zu können. In Kapitel II, Wärmelehre, wollen wir deshalb damit beginnen, zumal die Beobachtung der Temperatur sowohl die Grundlage zur Untersuchung der thermischen Stoffeigenschaften ist als auch wichtige Unterlagen liefert, um Gesetzmäßigkeiten der Wärmebewegung, also letztlich das 'Wesen der Wärme' zu erkennen.

In diesem Kapitel wollen wir, wie angekündigt, zunächst auf die Begriffe Temperatur und Wärme eingehen. Dabei müssen wir uns fragen, was Temperatur ist, wie man sie messen kann und welche Einheit und Skala der Temperatur zugeordnet wird. Nach einer kurzen Definition der Wärme und der Stoffmenge, betrachten wir abschließend die drei möglichen Aggregatzustände eines Körpers und deren Übergänge.

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