Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

110 ENERGIE Im 18. Jh. begann die Erdbevölkerung rapide zu wachsen. Die Entwicklung der Na- turwissenschaften hatte in der Renaissance eingesetzt und begann nun, unmittel- bare Auswirkungen auf die Menschheit zu haben. Die Fortschritte in der Medizin brachten eine längere Lebenserwartung, und die Technik ermöglichte es, Nahrung, Kleidung und Wohnungen für immer mehr Menschen zu schaffen. In die Zeit nach 1750 fällt der Beginn einer rasanten technischen Entwicklung, die in der ersten industriellen Revolution, dem Zeitalter der Dampfmaschinen und Ei- senbahnen, mündete. Eine wesentliche Voraussetzung für diesen Fortschritt war die Konstruktion leistungsfähiger Dampfmaschinen. Die ersten derartigen Ma- schinen wurden um 1700 in England gebaut, um eingedrungenes Wasser aus Berg- werken zu pumpen. Anfänglich verschlangen diese rasselnden und keuchenden Ungetüme riesige Kohlenmengen, die wiederum nur mit erheblichem Aufwand an menschlicher Arbeitskraft gewonnen werden konnten. Die Verbesserung der Dampfmaschine war daher eine dringliche Aufgabe. Dem Engländer J AMES W ATT ( 110.3 ) gelang der entscheidende Schritt. 1769 baute er die erste wirklich leistungsfähige Dampfmaschine, die etwa fünfmal mehr Ar- beit pro Tonne Kohle verrichtete als ältere Maschinen. Das Maschinenzeitalter war angebrochen. Die darauf rasch einsetzende Industrialisierung machte die Dampfmaschine bald unentbehrlich. Neue Erfin- dungen führten zu immer weitergehenden Verbesserungen. Dafür mussten jedoch viele physikalische Fragen geklärt werden wie z. B.: − Was ist Wärme? − Wie hängt Wärme mit Arbeit zusammen? − In welchem Umfang kann Wärme zur Verrichtung von Arbeit genutzt werden? Die Antwort auf diese Fragen liefert die Thermodynamik, die sich damit als Wis- senschaft entwickelte. Im Wechselspiel von theoretischen Überlegungen und prak- tischer Erprobung konnten die heutigen Wärmekraftmaschinen (Dampf- und Gas- turbinen, Benzin- und Dieselmotoren), die die Kolbendampfmaschine des James Watt abgelöst haben, entwickelt und optimiert werden. Die Bedeutung der Thermodynamik reicht darüber weit hinaus. Die in diesem Ka- pitel zu besprechenden Hauptsätze der Thermodynamik gelten für Lebewesen und ihren Stoffwechsel genauso wie für Sterne und ihren Aufbau und sie bestim- men die Richtung von chemischen Reaktionen. 110.1 Entropiespiel: Das Spielbrett enthält in jeder Hälfte 6 x 6 nummerierte Felder. Zu Be- ginn steht auf allen Feldern der linken Hälfte des Spielbretts eine Figur. Durch Würfeln werden jeweils eine Spalten- und eine Zeilen- nummer bestimmt. Die entsprechende Figur wechselt auf die andere Hälfte. ? Was beobachtet man? Was geschieht am Anfang bzw. einige Minuten später? Was hat dies mit Wärme zu tun? 110.2 Dampftraktoren konnten im späten 19. Jh. nur auf tragfähigen Böden (z. B. Prärie) eingesetzt werden. 110.3 J AMES W ATT (1736–1819) war ein schotti- scher Erfinder. Zu arm für Studium oder Lehre wurde er Instrumentenbauer an der Universi- tät Glasgow. Er schuf die erste leistungsfähige Dampfmaschine. Ihm zu Ehren heißt die Einheit der physikalischen Leistung Watt. 4 Energie und Entropie In diesem Kapitel erfährst du, − was der 1. und der 2. Hauptsatz der Thermodynamik aussagen, − welche Bedeutung sie für unser Leben und die Technik um uns haben, − warum Vorgänge von selbst immer nur in einer Richtung ablaufen, − wie Energie und Entropie dabei zusammenwirken, − was man unter dem Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen versteht, − und warum er nie 100 % betragen kann. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv