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* 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.

Befindet sich ein Gas in einem abgeschlossenen Behälter, so übt es auf die Wände einen Druck aus. Aus kinetisch-statistischer Sicht kann man diesen Gasdruck als elastische Stöße einer Vielzahl von Teilchen deuten. Er ist umso größer, je größer die Teilchenanzahl in dem betreffenden Volumen und die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen ist. Aus der Grundgleichung der kinetischen Gastheorie folgt:

$p=\frac{2}{3}\cdot \frac{N}{V}\cdot {\overline{E}}_{\text{kin}}=\frac{1}{3}\cdot \frac{N}{V}\cdot m\cdot \overline{v^2}$

* 25.06.1864 in Briesen (Westpreußen)
† 19.11.1941 in Gut Ober-Zibelle (bei Bad Muskau)

WALTER HERMANN NERNST studierte Physik und machte sich um den Aufbau der Physikalischen Institute in Göttingen und eines physikalisch-chemischen Instituts in Berlin verdient. Zu seinen beachtlichen Leistungen zählen die Formulierung der NERNSTschen Gleichung von 1889, des NERNSTschen Verteilungssatzes von 1890/91 sowie des NERNSTschen Wärmesatzes, heute als der 3. Hauptsatz der Thermodynamik bekannt. NERNST starb im Alter von 77 Jahren.

Für die Versorgung eines Wohnhauses mit Strom, Warmwasser und Heizung ist ein beachtlicher Energieaufwand erforderlich. Häuser, bei denen aufgrund der Bauweise der Energieeinsatz je Quadratmeter Wohnfläche besonders niedrig ist, bezeichnet man als Niedrigenergiehäuser. Kennzeichnend für solche Häuser ist eine gute Wärmedämmung und eine intelligente Nutzung erneuerbarer Energieträger, insbesondere der Sonnenenergie. Neben Niedrigenergiehäusern gibt es auch Passivhäuser und Null-Energie-Häuser.

Das Streben nach thermischem Gleichgewicht durch Temperaturausgleich ist charakteristisch für thermodynamische Systeme. Es wird heute oft als nullter Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet, da diese Eigenschaft thermodynamischer Systeme Grundlage für viele Temperaturmessungen ist. Dieser Hauptsatz lautet:

Werden zwei thermodynamische Systeme (Körper) miteinander in Kontakt gebracht, so gleichen sich ihre Temperaturen in endlicher Zeit aus.

Die gleiche Temperatur bleibt auch nach der Trennung der Systeme erhalten, wenn keine Wärmeübertragung zwischen Systemen und Umgebung erfolgt.

Atome oder Moleküle lassen sich nicht mit einem Lineal vermessen oder auf eine Waage legen. Zur Ermittlungen der Abmessungen sind meist aufwändige Messanordnungen notwendig. Es gibt aber auch erstaunlich einfache Versuchsanordnungen, mit denen man atomare Größen abschätzen kann. Ein solches Experiment ist der Ölfleckversuch oder, wie auch formuliert wird, die Ölfleckmethode. Sie ermöglicht es, eine Abschätzung des Moleküldurchmessers von Öl vorzunehmen.

* 14.06.1832 in Holzhausen bei Nassau
† 26.01.1891 in Köln

Er war ein deutscher Ingenieur, entwickelte das 4-Takt-Prinzip für Gasmotoren und verbesserte es wesentlich. Gemeinsam mit E. LANGEN, G. DAIMLER und W. MAYBACH gründete er 1872 die Deutz AG.

Ozon ist ein Gas, dass sich in geringer Konzentration in Höhen von 15-30 km über der Erdoberfläche befindet. Es absorbiert den kurzwelligen Teil des ultravioletten Lichtes.
Seit geraumer Zeit beobachtet man eine Verdünnung dieser Ozonschicht und damit eine Verstärkung der schädlichen kurzwelligen Ultraviolettstrahlung. Von einem Ozonloch spricht man, wenn die schützende Ozonschicht so dünn ist, dass sich die Intensität der kurzwelligen UV-Strahlung gegenüber dem ursprünglichen Normalwert verdoppelt.

Ein Perpetuum mobile ( das sich ständig Bewegende) ist ein uralter Traum der Menschheit. Eine Maschine zu bauen, die ohne Energiezufuhr ständig Arbeit verrichtet, ist zu verlockend. Konstruktionen von Perpetuum mobile sind schon aus dem Mittelalter bekannt. Oftmals wurde versucht durch raffinierte Anordnungen von Ungleichgewichten an Rädern oder durch unsymmetrische endlosen Ketten „immerwährende“ Antriebe zu bauen.
In der Physik wird zwischen einem Perpetuum mobile 1. Art und 2. Art unterschieden.
Mit der Entdeckung des Energieerhaltungssatzes (des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik) und des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik wurde die wissenschaftlichen Begründung für die Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile gegeben.
Obwohl längst wissenschaftlich begründet, gibt es auch heute immer wieder Versuche, die Funktionsfähigkeit eines Perpetuum mobile nachzuweisen.