Wärme

Der Begriff Wärme entstammt der Alltagssprache. Sätze wie «ist das heute eine Wärme!», «der Kranke braucht viel Wärme» oder «bei dieser Wärme verdirbt das Essen schnell» beschreiben den Wärmegrad, also die Temperatur eines ausgewählten Systems. Wird Wärme übertragen oder gespeichert, meint man eine unsichtbare Menge, welche die Temperatur bewirkt. Wärme kann aber auch durch mechanische Reibung, in einem Feuer oder einem elektrischen Widerstand erzeugt werden. Dieser Mengenbegriff umschreibt am ehesten die physikalische Grösse Entropie und nicht etwa die Energie, welche unter keinen Umständen erzeugt werden kann. Mitte des neunzehnten Jahrhunderts ist mit der Entdeckung des ersten Hauptsatzes, der die Äquivalenz von Wärme und Arbeit beschreibt, die Wärme als thermische ausgetauschte Energie definiert worden. Diese damals naheliegende Festlegung hat leider zu vielen Fehlinterpretationen geführt. Wer von Wärmeinhalt spricht, verwechselt die Wärme mit der inneren Energie, und wer behauptet, dass Wärme die kinetische Energie der Atome und Moleküle beschreibt, liegt sogar doppelt falsch. Ersten bezieht sich der Begriff kinetische Energie auf das einzelne bewegte Teilchen und zweitens ist die Summe über die kinetischen Energien aller Teilchen Teil der inneren Energie des ruhenden Gases. Die ziemlich problematische Gleichsetzung des umgangssprachlichen Wortes Wärme mit der thermisch ausgetauschten Energie ist kaum mehr rückgängig zu machen. Stattdessen sollten und müssen wir im Unterricht die fundamentalen Zusammenhänge der Thermodynamik in Worten, Bildern und schlussendlich mit Formeln so erklären, dass alle Auszubildenden diese gründlich verstehen und korrekt anwenden können.

Aktivieren wir unsere Phantasie und abstrahieren wie Sadi Carnot 1824 aus unseren Alltagsvorstellungen einen Wärmestoff, der sich bei allen Reibungsprozessen vermehren kann. So kreieren wir eine bildhafte Vorstellung der Entropie. Dieser Wärmestoff kann gespeichert, transportiert und erzeugt werden. Gespeicherte Entropie sorgt für eine Temperaturerhöhung oder eine Volumenausdehnung. Transportiert wird der Wärmestoff konvektiv mit der Materie, leitungsartig durch die Materie oder strahlungsartig über das elektromagnetische Feld. Erzeugt wird die Entropie bei jedem irreversiblen Prozess, also immer dann, wenn Energie dissipiert wird. Wie die Masse des Wassers beim Pumpspeicherkraftwerk, das Ölvolumen in der Hydraulik, die elektrische Ladung beim Stromkreis, der Impuls- und der Drehimpulsstrom in der Mechanik darf die Entropie als Energieträger bezeichnet werden, wobei die absolute Temperatur als Energiebeladungsmass amtiert. Damit haben wir auch schon die zentrale Formel der Thermodynamik begründet: die Stärke des Wärmeenergiestromes ist gleich absolute Temperatur mal Entropiestromstärke. Diese Formel gilt bei der Wärmeleitung, nicht aber bei der Strahlung und schon gar nicht bei der Konvektion.

Was gewinnen wir mit dieser Formel und der damit verbundenen Vorstellungswelt? Eine ganze Menge, mehr als mit jedem anderen Zugang zur Thermodynamik. In Anlehnung ans Wasserfallbild von Sadi Carnot verstehen wir schlagartig die heute so wichtige Wärmepumpe, welche Entropie aus einem kalten in einen warmen Bereich fördert. Die minimal aufzuwendende Leistung ist gleich Entropiestromstärke mal Förderhöhe, sprich Temperaturdifferenz. Selbstverständlich ist damit auch die umgekehrt arbeitende Wärmekraftmaschine im Grundsatz erklärt. Ausgehend von diesem Basisprozess können wir Wärmespeicher und auch die Wärmeleitung erklären, wobei letztere maximal dissipativ ist, also von allen vergleichbaren Prozessen am meisten Entropie erzeugt. Um die vier Grundprozesse des idealen Gases zu erklären, habe ich den Carnotor entwickelt. Damit beschreiben und simulieren wir das thermodynamische Verhalten von Gasen und Dämpfen. Mehr dazu in meinem nächsten Beitrag.