1. Einführung

Ob wir uns einen Tee kochen, Zucker im Kaffee auflösen oder ein Bier aus dem Kühlschrank holen - stets haben wir es mit den Phänomenen Temperatur, thermischer Energie und ihren Änderungen zu tun.

Wenn wir an einem kalten Winterabend in unserer wohlig warmen Wohnung das Licht einschalten und ein gutes Buch lesen, so verdanken wir diese angenehme Atmosphäre den Erfindungen von Glühbirne und Zentralheizung. (Gutenberg wollen wir natürlich hier auch nicht verschweigen.)

In den Sommerferien lassen wir uns gerne von einer Museumseisenbahn mit Dampflokomotive durch die Landschaften fahren.

Herd, Kühlschrank, Heizung, Dampfmaschine, Glühbirne ... die Aufzählung liesse sich beliebig fortsetzen. Eine große Anzahl von Gerätschaften, die wir zum Teil auch mehrmals täglich benutzen, bezeugen, dass wir gelernt haben mit Temperatur und thermischer Energie umzugehen. Wir sind mit diesen Phänomenen so vertraut, dass wir diese naturwissenschaftlichen Fachbegriffe in unsere Alltagssprache übernommen haben. Insbesondere hat sich die Energie im 20. Jahrhundert zu einem richtigen Modebegriff entwickelt.

1. Isoenergetische Thermodynamik -
der Schlüssel zum Verständnis!

Gegenüber der Energie fristet die Entropie ein Schattendasein. Viele Naturwissenschaftler sind jedoch der Meinung, dass die Entropie für die oben genannten Phänomene eigentlich wichtiger sei als die Energie. Sie sagen:

"Die Entropie ist die Herrin der Energie".*

Es wäre noch besser zu sagen "Die Entropie ist die Herrin der Temperatur", weil die Phänomene uns zeigen:

Bei gleicher thermischer Energie bewirkt die größere Entropie einer Substanz die niedrigere Temperatur. In Kapitel 3.2. wird dazu das Diagramm 'Temperatur als Funktion der Entropie' mit einer Reihe von Messdaten besprochen.
Weltweit findet man heute keine allgemein akzeptierte Deutung des Entropiephänomens. Jedoch wird bei genauer Analyse der verschiedenen Argumentationen deutlich, dass das Verständnisproblem nicht bei der Entropie, sondern bei der Fehldeutung des Temperaturphänomens liegt. Wenn Sie mehr über diese Frage wissen möchten, lesen Sie dazu diesen Gedankengang.

Das wichtigste Hilfsmittel bei thermodynamischen Untersuchungen ist das Kalorimeter, in dem in der Regel Temperaturänderungen bei konstanter Energie untersucht werden. Daher liegt es nahe, Deutungen der experimentellen Befunde auch unter dem Gesichtspunkt des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik, nämlich der Voraussetzung einer konstanten Energie, zu entwickeln. Isotherme Deutungen, wie sie die klassische Thermodynamik anbietet, führen weg von den Phänomenen: Vorgänge wie Aufheizen, Abkühlen oder exo- und endotherme Prozesse verlaufen nicht isotherm. In den Kapiteln 6 und 7 finden Sie die entsprechenden Experimente.

Im Vorwort des Hochschullehrbuchs 'Thermodynamik' von Kittel und Krömer (s. 9 Software und Quellen) heißt es: "Die Physik der Wärme ist eines der Gebiete, welches durch die Einführung quantenmechanischer Konzepte ganz wesentlich vereinfacht wird. Was daran erstaunlich ist, ist nur eines: wie wenig formelle (i. e.: mathematische ) Quantenmechanik dazu eigentlich nötig ist."
Der Grundgedanke "Quantelung ohne viel Mathematik" wird auf dieser Internetseite so umgesetzt, dass ein didaktisches Konzept entsteht, das von den sekundaren Schulstufen bis zum universitären Abschluss Schüler und Studenten begleiten kann. Dabei kommen zwei Modelle zum Einsatz, die sich beide dadurch auszeichnen, dass sie auf der Modellseite Analogien für die thermodynamisch maßgeblichen Phänomene bereitstellen:

  • thermische Energie
  • Temperatur
  • Entropie und Thermokapazität
  • thermische Strahlung
    •

Beide Modelle, Regal- wie auch Fluidmodell, sind den rein statistischen Modellen (Münzwurf, Flohhüpfspiel u. ä.) bei Weitem überlegen, weil diese auf der Modellseite an dem Mangel leiden, diese Analogien nicht zu bieten.

 * F.BADER, Entropie, Herrin der Energie, Schroedel Verlag 1993