Wärme
Dieses Beispiel für die Austauschbarkeit von Wärme und Arbeit als Mittel zur Zuführung von Energie zu einem System kann dazu beitragen, einige Missverständnisse über Wärme auszuräumen. Ich habe die Idee in einem kleinen Artikel von Mark Zemansky mit dem Titel „The Use and Misuse of the Word ‚Heat‘ in Physics Teaching“ gefunden. Ein wichtiger Gedanke aus diesem Beispiel ist, dass man, wenn man ein Gas mit hoher Temperatur vor sich hat, nicht sagen kann, ob es diese hohe Temperatur erreicht hat, indem es erhitzt wurde, oder indem man Arbeit daran verrichtet hat, oder eine Kombination aus beidem.
Um die Energie zu beschreiben, die ein Objekt mit hoher Temperatur besitzt, ist es nicht korrekt, das Wort Wärme zu verwenden, wenn man sagt, dass das Objekt „Wärme besitzt“ – es ist besser zu sagen, dass es aufgrund seiner Molekularbewegung innere Energie besitzt. Das Wort Wärme ist besser dafür geeignet, den Prozess der Energieübertragung von einem Objekt mit hoher Temperatur auf ein Objekt mit niedrigerer Temperatur zu beschreiben. Sicherlich kann man ein Objekt mit niedriger innerer Energie nehmen und es durch Erhitzen auf eine höhere innere Energie bringen. Aber man kann seine innere Energie auch erhöhen, indem man Arbeit an ihm verrichtet, und da die innere Energie eines Objekts mit hoher Temperatur in der zufälligen Bewegung der Moleküle besteht, kann man nicht sagen, welcher Mechanismus verwendet wurde, um ihm diese Energie zu geben.
Mark Zemansky warnt Lehrer und Schüler gleichermaßen vor den Fallstricken des falschen Gebrauchs des Wortes „Wärme“ und rät, über den Jingle nachzudenken:
„Wärmephysik zu lehren |
Nicht von der „Wärme in einem Körper“ sprechen, oder sagen „dieses Objekt hat doppelt so viel Wärme wie jener Körper“. Er wendet sich auch gegen die Verwendung des vagen Begriffs „thermische Energie“ und gegen die Verwendung des Wortes „Wärme“ als Verb, weil sie die falschen Vorstellungen nähren, aber es ist schwierig, diese Begriffe zu vermeiden. Er würde dazu raten, den Begriff der inneren Energie so schnell wie möglich einzuführen und zu verwenden. |
Zemansky verweist auf den Ersten Hauptsatz der Thermodynamik als klärende Beziehung. Der Erste Hauptsatz identifiziert sowohl Wärme als auch Arbeit als Methoden der Energieübertragung, die eine Änderung der inneren Energie eines Systems bewirken können. Danach haben weder die Worte Arbeit noch Wärme irgendeinen Nutzen bei der Beschreibung des Endzustandes des Systems – wir können nur von der inneren Energie des Systems sprechen.
| Mechanisches Äquivalent der Wärme | Erster Hauptsatz der Thermodynamik | Berechnung |
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