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* 27.11.1701 Uppsala
† 25.04.1744 Uppsala

Er war ein schwedischer Astronom und Physiker, entwickelte eine Temperaturskala, die Celsius-Skala, und führte eine Reihe von astronomischen Untersuchungen durch.

* 02.02.1822 in Köslin
† 24.08.1888 in Bonn

Er war ein deutscher Physiker, der als Professor in Zürich, Würzburg und Bonn tätig war. CLAUSIUS leistete wesentliche Beiträge zur Entwicklung der Thermodynamik. Insbesondere formulierte er als Erster den 2. Hauptsatz der Wärmelehre.

* 17.03.1834 Schorndorf
† 06.03.1900 Bad Cannstatt

Er war ein deutscher Techniker, der wesentliche Beiträge zur Entwicklung von Verbrennungsmotoren geleistet hat und zeitweise mit NIKOLAUS AUGUST OTTO zusammenarbeitete. Zusammen mit WILHELM MAYBACH entwickelte er den ersten schnell laufenden Verbrennungsmotor, der auch für den Antrieb von Fahrzeugen geeignet war.

* 05.09.1766 in Eaglesfield,
† 27.07.1844 in Manchester

Er war ein britischer Privatlehrer, der sich verschiedenen Forschungsarbeiten in den Bereichen Geografie, Meteorologie, Physik, Astronomie und Botanik widmete. Während seiner Forschungen erkannte er das Gesetz der multiplen Proportionen, erarbeitete eine Atommassentabelle mit sechs Elementen und 13 Verbindungen und beschrieb das Wärmeausdehnungsgesetz bei Gasen. Daneben begründete er eine neue Atomtheorie.

Die Dampfmaschine ist die erste historisch bedeutsame Wärmekraftmaschine zur Umwandlung von thermischer in mechanischer Energie. Erfinder der ersten industriell genutzten Dampfmaschine ist der Engländer THOMAS NEWCOMEN (1663- 1729), Vorarbeiten leistete DENIS PAPIN (1647-1712).
Die Dampfmaschine wurde von dem schottischen Techniker JAMES WATT (1776-1819) so weiterentwickelt, dass sie als Antriebsmaschine in den verschiedensten Bereichen (für Pumpen, Textilmaschinen, Mühlen, Pflüge, Lokomotiven) genutzt werden konnte. Die theoretischen Grundlagen, um die Funktionsweise der Dampfmaschinen zu erklären, wurden erst mehr als 50 Jahre später von dem französischen Ingenieur und Physiker SADI CARNOT ( 1796-1832) geschaffen.
Die Industrialisierung des 19. Jahrhunderts ist eng mit der Einführung und Nutzung von Dampfmaschinen verbunden.

* 18.03.1858 Paris
† 29.09.1913 (Ärmelkanal, Selbstmord)

Er war ein deutscher Ingenieur und erfand im Bestreben, den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen zu verbessern, den Motor mit Selbstzündung, der heute ihm zu Ehren als Dieselmotor bezeichnet wird.

Die innere Energie gibt an, wie groß die in einem abgeschlossenen System (Körper) gespeicherte Energie ist.
Formelzeichen: U
Einheit: ein Joule (1 J)
Sie ist die Gesamtenergie aller Teilchen (Atome, Moleküle) eines Körpers und setzt sich damit aus der Summe der Bewegungsenergien bei Translation, Rotation und Schwingungen, der potenziellen Energien und der Bindungsenergien zusammen.
Bei Gasen wird die innere Energie im Wesentlichen von den Bewegungsenergien der Teilchen bestimmt.

Gegenstand der kinetischen Gastheorie ist die Betrachtung thermodynamischer Prozesse auf der Grundlage von Teilchengrößen, wie der Teilchenanzahl, ihrer räumlichen Verteilung und ihrer Geschwindigkeit. Von besonderer Bedeutung ist die Energieverteilung, die eng mit der Geschwindigkeitsverteilung zusammenhängt. Betrachtet man verschiedene Aggregatzustände und bezieht auch Moleküle in die Betrachtungen ein, so ist neben der kinetischen Energie auch die Rotationsenergie und die Schwingungsenergie mit zu beachten.

Der Begriff Entropie wurde 1865 durch den deutschen Physiker RUDOLF CLAUSIUS (1822-1888) in die Physik eingeführt. Sie ist eine Größe, mit deren Hilfe man die Irreversibilität eines Vorganges kennzeichnen kann. Von praktischer Bedeutung ist nicht der absolute Betrag der Entropie S, sondern ihre Änderung, die man folgendermaßen kennzeichnen kann:

$\begin{array}{l}\Delta S=k\cdot \ln W\text{oder}\Delta S=\frac{Q}{T}\\ k\text{BOLTZMANN-Konstante}\\ W\text{Wahrscheinlichkeit des Zustandes eines Systems}\\ Q\text{Wärme}\\ T\text{absolute Temperatur}\end{array}$

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist der Energieerhaltungssatz, formuliert für thermodynamische Prozesse. Die heute bekannte mathematische Formulierung des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik stammt von RUDOLF CLAUSIUS und wurde von ihm um 1850 so formuliert:

Die einem thermodynamischen System zugeführte Wärme ist gleich der Summe aus der Änderung der inneren Energie des Systems und der von ihm verrichteten mechanischen Arbeit.

$\begin{array}{l}\Delta U=W+Q\\ \Delta U\text{Änderung der inneren Energie}\\ \text{des Systems}\\ W\text{vom System oder am System verrrichtet}\\ \text{mechanische Arbeit (Volumenarbeit)}\\ Q\text{vom System aufgenommene oder}\\ \text{abgegebene Wärme}\\ \end{array}$

Eine andere übliche Formulierung des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik lautet:
Es ist unmöglich, eine Perpetuum mobile 1. Art zu konstruieren.

* 24.05.1686 Danzig
† 16.09.1736 Den Haag

Er war ein deutscher Physiker und Instrumentenbauer, lebte aber viele Jahre in England und Holland als Hersteller meteorologischer Instrumente, verbesserte viele Geräte und führte die nach ihm benannte Thermometerskala ein.

* 06.12.1778 Saint-Léonard-de-Noblat (bei Limoges)
† 09.05.1850 Paris

Er war ein französischer Naturwissenschaftler, der sich vor allem mit chemischen, aber auch mit physikalischen Problemen beschäftigte. Sein Hauptarbeitsgebiet in der Physik war die Wärmelehre, insbesondere die Gastheorie.
Er fomulierte1802 das nach ihm benannte Gasgesetz.

Gegenstand der kinetischen Gastheorie ist die Betrachtung thermodynamischer Prozesse auf der Grundlage von Teilchengrößen, wie der Teilchenanzahl, ihrer räumlichen Verteilung und ihrer Energie. Von besonderer Bedeutung ist die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen eines Gases, da die Geschwindigkeit eng mit der kinetischen Energie, dem Druck und auch mit der Temperatur verknüpft ist. Untersuchungen zeigen, dass zwischen der mittleren Geschwindigkeit, der wahrscheinlichsten Geschwindigkeit und der mittleren quadratischen Geschwindigkeit der Teilchen unterschieden werden muss.

Teilchengrößen wie die Teilchenanzahl, die Geschwindigkeit der Teilchen oder ihre kinetische Energie sind eng mit solchen Größen wie Volumen, Druck und Temperatur verbunden. Die Zusammenhänge lassen sich aus kinetisch-statistischer Sicht herleiten und führen zur sogenannten Grundgleichung der kinetischen Gastheorie, die man in unterschiedlicher Form angeben kann, beispielsweise folgendermaßen:

$\begin{array}{l}p\cdot V=\frac{2}{3}\cdot N\cdot {\overline{E}}_{\text{kin}}\\ p\cdot V=N\cdot k\cdot T\\ p\cdot V=\frac{1}{3}\cdot N\cdot m\cdot \overline{v^2}\end{array}$

Die Interpretation dieser Grundgleichung in ihren verschiedenen Formulierungen führt zu wichtigen Zusammenhängen zwischen Zustandsgrößen eines thermodynamischen Systems und Teilchengrößen.

Unter der Bedingung, dass keine Änderung des Aggregatzustandes erfolgt, gilt für die einem Körper zugeführte oder von ihm abgegebene Wärme:

$\begin{array}{l}Q=c\cdot m\cdot \Delta \vartheta \text{oder}Q=c\cdot m\cdot \Delta T\\ c\text{spezifische Wärmekapazität}\\ m\text{Masse des Körpers}\\ \Delta \vartheta ,\Delta T\text{Temperaturänderung des Körpers}\end{array}$

Die Stoffkonstante spezifische Wärmekapazität, insbesondere die von Wasser, hat erhebliche Bedeutung für Natur und Technik, da in Wasser eine erhebliche Wärme gespeichert und mit ihm transportiert werden kann.

Das von dem schottischen Pfarrer ROBERT STIRLING 1816 angemeldete Patent eines Heißluftmotors ist bis heute ein Gegenstand technischer Forschungen geblieben. Der Grund dafür ist das geniale Funktionsprinzip dieses Motors. Wie bei einer Dampfmaschine erfolgt die Erzeugung der thermischen Energie durch äußere Verbrennung. Der Heißluftmotor, auch STIRLING-Motor genannt, lässt sich daher mit allen Brennstoffen betreiben und ist insbesondere auch für die Verwendung von erneuerbaren Energien wie Holz, Biogase und Solarwärme geeignet.

Bei einer isobaren Zustandsänderung eines Gases bleibt der Druck konstant. Die Zustandskurve im p-V-Diagramm ist eine Parallele zur V-Achse. Ein solcher Prozess kann realisiert werden, wenn dem Gas eine Wärme Q zugeführt wird. Damit dabei der Druck konstant bleibt, muss von dem Gas gleichzeitig Volumenarbeit verrichtet werden. Die zugeführte Wärme Q erzeugt bei einer isobaren Zustandsänderung eine Änderung der inneren Energie und des Volumens. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ergibt sich die Bilanz:

$Q=\Delta U-W$

Bei Verwendung des Modells des idealen Gases erhöht die zugeführte Wärme Q die innere Energie U des Gases und verrichtet Volumenarbeit.

Bei einer isochoren Zustandsänderung eines Gases bleibt das Volumen konstant. Die Zustandskurve im p-V-Diagramm verläuft vertikal, parallel zur p-Achse. Ein solcher Prozess wird realisiert, wenn Gas in einem geschlossenen Behälter erwärmt wird. Die zugeführte Wärme führt zu einer Erhöhung der Temperatur und damit zu einer Änderung der inneren Energie U. Da das Volumen konstant bleibt, wird von dem Gas keine Arbeit verrichtet. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist damit die zugeführte Wärme gleich der Änderung der inneren Energie des Gases:

$Q=\Delta U$

Bei Verwendung des Modells ideales Gas erhöht die zugeführte Wärme die inneren Energie des Gases bei einem isochoren Prozess um:

$\begin{array}{l}\Delta U=\frac{3}{2}N\cdot k\cdot \Delta T\\ N\text{Anzahl der Teilchen}\\ k\text{BOLTZMANN-Konstante}\\ \Delta T\text{Temperaturdifferenz}\end{array}$

Daraus lässt sich die molare Wärmekapazität eines idealen Gases bei konstantem Volumen berechnen.

Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik kann eine isotherme Zustandsänderung, also eine Zustandsänderung bei konstanter Temperatur, durch folgende Prozesse realisiert werden:

• Dem Gas wird eine Wärme Q zugeführt, es dehnt sich aus und verrichtet Volumenarbeit (isotherme Expansion).
• An dem Gas wird die äußere Arbeit W verrichtet, das Volumen wird kleiner und die dabei entstehende Wärme wird abgegeben (isotherme Kompression).

Die bei einer isothermen Expansion vom Gas verrichtete Arbeit (Volumenarbeit) entspricht der Fläche unterhalb der Isobare im p-V- Diagramm. Sie kann durch Auszählen der Fläche oder durch Integration berechnet werden. Bei Verwendung des Modells ideales Gas beträgt die Volumenarbeit bei isothermer Expansion:

$W=-N\cdot k\cdot T\cdot \ln \frac{V_2}{V_1}$

Diese Arbeit ist gleich der dem Gas zugeführten Wärme, die dieses benötigt, um seine innere Energie bei der Expansion konstant zu halten.

Unter dem Begriff „kalorimetrische Messungen“ werden solche Messungen zusammengefasst, bei denen man beispielsweise die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes, seine Schmelzwärme oder den spezifischen Heizwert eines Brennstoffes und damit wichtige Stoffkonstanten bestimmen kann. Genutzt wird dazu ein Kalorimeter.
Für die Messung der spezifischen Wärmekapazität oder der Schmelzwärme erfolgt im Kalorimeter eine Mischung von Stoffen und damit ein Temperaturausgleich. Aus den gemessenen Temperaturdifferenzen und aus der Energiebilanz lässt sich die jeweilige Stoffkonstante ermitteln.
Zur Bestimmung des spezifischen Heizwertes wird eine bestimmte Menge eines Brennstoffes verbrannt und die dabei abgegebene Wärme indirekt bestimmt.

In der Thermodynamik oder Wärmelehre ist es üblich, zur Beschreibung der Zustände oder Vorgänge in einem thermodynamischen System unterschiedliche Betrachtungsweisen anzuwenden. Neben der phänomenologischen Betrachtungsweise wird die kinetisch-statistische Betrachtungsweise genutzt. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschreibung von Sachverhalten und Vorgängen Teilchengrößen genutzt werden und die Beschreibung mit statistischen (stochatischen) Gesetzen erfolgt, die sichere Voraussagen über die Gesamtheit der Teilchen eines Systems ermöglichen, nicht aber über das Verhalten des einzelnen Teilchens.

Rohrleitungen, Stahlbrücken oder Hochspannungsleitungen ändern bei Temperaturänderung ihr Volumen und damit auch ihre Länge. Unter der Bedingung, dass sich ein fester Körper frei ausdehnen kann, lässt sich die Längenänderung mit folgenden Gleichungen berechnen:

$\begin{array}{l}\Delta l=\alpha \cdot l_{\text{0}}\cdot \Delta T\text{oder}\\ \Delta l=\alpha \cdot l_{\text{0}}\cdot \Delta \vartheta \\ \text{Als neue Länge}l\text{erhält man dann:}\\ l=l_{\text{0}}+\Delta l\text{oder}\\ l=l_{\text{0}}(1+\alpha \cdot \Delta T)\\ \text{Dabei bedeuten:}\alpha \text{Längenausdehnungskoeffizient}\\ l_{\text{0}}\text{Ausgangslänge}\\ \Delta T,\Delta \vartheta \text{Temperaturänderung in Kelvin}\end{array}$

* 26.06.1824 Belfast
† 17.12.1907 Netherhall (Largs bei Glasgow)

Er war ein irisch-schottischer Physiker und führte die absolute Temperaturskala ein. Die Einheit der absoluten Temperatur, das Kelvin, ist nach ihm benannt. Darüber hinaus beschäftigte er sich mit elektrischen Schwingungen und mit der Telegrafie und führte technisch wichtige Untersuchungen zu Leitungsvorgängen in Kabeln durch.

* um 1620 Dijon
† 12.05.1684 Paris

Er war zunächst ein französischer Geistlicher, der sich später auch mit naturwissenschaftlichen und speziell mit physikalischen Problemen beschäftigte, unter anderem mit optischen Erscheinungen in der Atmosphäre sowie mit der Mechanik der Flüssigkeiten und Gase. Bekannt wurde er durch die Entdeckung des Gesetzes, das heute als Gesetz von BOYLE und MARIOTTE bezeichnet wird.

* 09.02.1846 in Heilbronn
† 29.12.1929 in Stuttgart

Er war ein deutscher Techniker, der wesentlichen Anteil an der Entwicklung von Verbrennungsmotoren hatte und gemeinsam mit DAIMLER den ersten für Fahrzeuge geeigneten schnell laufenden Verbrennungsmotor konstruierte.