Im 18. Jahrhundert begann die Erdbevölkerung rapide zu wachsen. Die Entwicklung der Naturwissenschaften hatte in der Renaissance eingesetzt und begann nun, unmittelbare 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 Eisenbahnen, mündete. Eine wesentliche Voraussetzung für diesen Fortschritt war die Konstruktion leistungsfähiger Dampfmaschinen. Die ersten derartigen Maschinen wurden um 1700 in England gebaut, um eingedrungenes Wasser aus Bergwerken 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 James Watt (128.2) gelang der entscheidende Schritt. 1769 baute er die erste wirklich leistungsfähige Dampfmaschine, die etwa fünfmal mehr Arbeit pro Tonne Kohle verrichtete als ältere Maschinen. Das Maschinenzeitalter war angebrochen. Die darauf rasch einsetzende Industrialisierung machte die Dampfmaschine bald unentbehrlich. Neue Erfindungen 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 Antworten lieferte die Thermodynamik, die sich damit als Wissenschaft entwickelte. Im Wechselspiel von theoretischen Überlegungen und praktischer Erprobung konnten die heutigen Wärmekraftmaschinen (Dampf- und Gasturbinen, Benzin- und Dieselmotoren) entwickelt und optimiert werden (128.1). Die Bedeutung der Thermodynamik reicht aber darüber weit hinaus. In diesem Kapitel werden zwei Hauptsätze der Thermodynamik vorgestellt. Sie gelten nicht nur in der Technik, sondern auch für Lebewesen und ihren Stoffwechsel genauso wie für die Entwicklung und den Aufbau der Sterne. Weiters bestimmen sie die Richtung von chemischen Reaktionen. Entropiespiel: Das Spielbrett hat in jeder Hälfte 6 x 6 nummerierte Felder. Zu Beginn steht auf jedem Feld der linken Hälfte eine Figur. Danach werden mehrmals durch Würfeln die Spalten- und die Zeilennummer eines Feldes bestimmt. Die Figur auf diesem Feld (links oder rechts) wechselt auf das entsprechende Feld der anderen Hälfte. Was beobachtet man? Wie verändert sich die Verteilung der Figuren? Was hat dies mit der realen Welt zu tun? 128.1 Dampftraktoren ersetzten im späten 19. Jh. Zugtiere auf den Feldern und ermöglichten den großflächigen Weizenanbau in den weiten Ebenen der USA. In Europa begann die massive Industrialisierung der Landwirtschaft erst um 1950 mit kleinen Dieseltraktoren. 128.2 James Watt (1736–1819) war ein schottischer Erfinder. Zu arm für Studium oder Lehre wurde er „Instrumentenbauer“ an der Universität Glasgow. Er schuf die erste leistungsfähige Dampfmaschine. Ihm zu Ehren heißt die Einheit der physikalischen Leistung Watt. 128 Thermodynamik 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
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