Zur Thermodynamik

In der Mechanik wird das Verhalten von Körpern untersucht, ohne die innere Struktur dieser Körper zu beachten. Wir haben im Rahmen der Mechanik den Erhaltungssatz der Energie kennen gelernt und haben an Hand der Reibung verstanden, dass Energie in Körpern auch als innere Energie enthalten ist. Die Thermodynamik untersucht, wie Energie zwischen verschiedenen Körpern ausgetauscht wird, wie sich Körper dabei verändern - z.B. bei Erwärmung ausdehnen oder schmelzen - und wie gespeicherte Energie z.B. in Wärmekraftmaschinen genutzt werden kann. Die Erkenntnisse der Thermodynamik reichen viel weiter und betreffen den Energieumsatz von Lebewesen ebenso wie das Wetter und die Entwicklung von Sternen. Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Betrachtungsweisen:

Man untersuchte zunächst nur direkt messbare Eigenschaften der Materie wie Druck, Temperatur, Volumen usw. Damit wurde ein breites Wissen über Eigenschaften der Materie gefunden, das in Alltag und Technik nützlich ist. Auch wenn man z.B. nicht die Ursache der Anomalie des Wassers, des Ausdehnens beim Gefrieren, kennt, so sollte man doch wissen, welche Folgen sie hat: Bildung von Eisdecken auf Gewässern, Platzen eingefrorener Wasserleitungen u. s.w. Man erkannte, dass mechanische Energie vollständig in Wärmeenergie umgewandelt werden kann und dass die Gesamtenergie konstant ist. Die Rückumwandlung ist jedoch nur unvollständig möglich, weshalb Verbrennungsmotoren den Großteil der eingesetzten Energie als Abwärme an die Umgebung abgeben.

Ab etwa 1860 gelang es, die Thermodynamik auf statistischen Betrachtungen aufzubauen, die vom Aufbau der Stoffe aus Atomen und Molekülen ausgehen. Möchte man den Zustand eines Körpers, z.B. der Luft im Raum, beschreiben, so sind wegen der ungeheuren Anzahl von Teilchen, die sich ungeordnet und unterschiedlich rasch bewegen, nur statistische Mittelwerte wichtig: Die mittlere kinetische Energie der Teilchen entspricht beispielsweise der Temperatur des Körpers.

Unser Lebensstandard hängt davon ab, wie viel Energie zur Verfügung steht. Neben der reichlich vorhandenen, aber technisch noch wenig genutzten Sonnenenergie werden vor allem fossile Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) genutzt, deren Vorräte begrenzt sind. Sie stehen den Menschen in sehr ungleichem Ausmaß zur Verfügung: Hoher Energieeinsatz (und Lebensstandard) in den Industrieländern steht einem niedrigen Energieeinsatz in Entwicklungsländern gegenüber. Es wird intensiv geforscht, um Energie sparsamer und effizienter zu nutzen, z. B. über die Nutzung der Sonnenenergie durch Photovoltaik und Sonnenwärmekraftwerke oder durch die Entwicklung von Niedrigenergiehäusern. Dabei spielt die Thermodynamik eine wichtige Rolle.