Das elementarste und "menschlichste" Messverfahren ist "das Abzählen an den 5 Fingern". Phänomene, die die Eigenschaft der Abzählbarkeit haben, sind quantisiert. Es fängt beim Aufbau der Materie aus kleinen Bauteilen an und durchzieht die Wissenschaft bis hin zu komplexen Fragestellungen auch der Thermodynamik.

Vor über hundert Jahren hat Max Planck entdeckt, dass Energie nicht in beliebig großen (oder besser: kleinen) Portionen vorkommen kann, sondern nur in ganz bestimmten Portionen. Eine solche Energieportion nennt man seitdem ein Energiequantum. (Plural: Energiequanten) Bei allen Arten von Energie und Energieänderungen dreht es sich stets auch um die Frage, wie ein Stoff oder ein Stoffsystem auf mechanische oder thermische Arbeit, die es verrichtet oder die an ihm verrichtet wird, reagiert. Stoffsysteme haben, falls sie gut isoliert sind ein Gedächtnis für diese Speicherungsprozesse:

Wurde an einem Stoffsystem Arbeit verrichtet, so kann das System später ein gleichgroßes Quantum an Arbeit wieder an einem anderen System verrichten.

Allerdings verursacht eine schlechte Isolierung auch eine Art von Gedächtnisschwund, so dass das Stoffsystem dann weniger Arbeit leisten kann. Um diese Speicherungsprozesse zu verstehen, ist es geschickt, wenn wir als Modell für diese Vorgänge Gegenstände benutzen, die uns vom Alltag her vertraut sind und uns ebenfalls dazu dienen, etwas aufzubewahren, zu speichern: sei es ein Regal oder ein zylindrisches Gefäß.
Ohne aufwendige Mathematik ermöglichen Regal- und Fluidmodell dieses Verständnis thermodynamischer Grundphänomene von Entropie und Thermokapazität einerseits und ihrer Beziehung zu Temperatur, thermischer Energie und thermischer Strahlung andererseits. Low-Cost-Regale, die wir oft in Mitnahmemärkten von Möbeln finden, zeigen viele Analogien zwischen der Lagerung von alltäglichen Gegenständen in Regalen und der Speicherung von thermischer Energie durch chemische Substanzen.
Das Fluidmodell nutzt die physikalischen Eigenschaften eines fluiden Mediums, um Prozesse der Speicherung von thermischer Energie zu simulieren und damit verständlich zu machen. Ähnlich wie das Regalmodell beschreibt es mechanische Analogien zu Temperatur, thermischer Energie, Entropie, Thermokapazität und thermischer Strahlung. Es ist in der Lage, quantenthermo- dynamisch berechnete Werte der angegebenen physikalischen Größen sehr differenziert darzustellen. In seiner einfachsten Form kann es bereits im Schulunterricht genutzt werden, ermöglicht aber auch mehrere Verfeinerungen bis auf Hochschulniveau.

In der heute üblichen Didaktik erfahren die Schulklassen erstmals etwas über die Energiequantelung bei der Behandlung des Aufbaus der Atomhülle aus Elektronen. Sie werden über die energetische Differenzierung der Atomhülle oder - einfacher ausgedrückt - über den Schalenaufbau der Atomhülle unterrichtet. Da es sich bei den Elektronen um Teilchen mit Fermioneneigenschaften handelt, erscheint dieses Thema als Einstieg wenig geeignet. Sinnvoller und deutlich einfacher wäre es die Quantelung früher, nämlich bei den chemischen Teilchen einzuführen, weil es für diese Teilchen weniger Nebenbedingungen gibt. Mit den beiden genannten Modellen lassen sich die elementaren thermodynamischen Prozesse, wie Erwärmen, Abkühlen, thermische Strahlung, Mischen, chemische Reaktion oder chemisches Gleichgewicht als Quantenphänomene und ohne aufwendige Mathematik verständlich machen.

Mehr über diese Modelle erfahren Sie, wenn sie links auf "Das Regalmodell" oder auf "Das Fluidmodell" klicken.