Philosophie der Naturwissenschaften

Philosophische und theoretische Grundlagen der Entstehung klassischer naturwissenschaftlicher Disziplinen

Philosophische Grundlagen der klassischen Physik – Mechanisches Weltbild und dynamischer Determinismus

Die Probleme der Konzeptualisierung der Physik als fundamentale naturwissenschaftliche Disziplin standen im Zusammenhang mit Entdeckungen und experimentellen Untersuchungen von Phänomenen, die eindeutig über die Mechanik hinausgingen. Dennoch ermöglichte gerade das mechanische Modell der Erklärung auf der Grundlage wirkender Kräfte die Vereinigung vielfältiger Phänomene der unbelebten Natur zu einem einheitlichen konzeptionellen Bereich der klassischen Physik.

Im 19. Jahrhundert wurden die Teilbereiche der analytischen Mechanik (Kinematik, Elastizitätstheorie, Hydromechanik) durch neue Richtungen ergänzt. In den 1840er-Jahren entstand die konzeptionelle Grundlage der Thermodynamik, deren Gegenstand die Gesetzmäßigkeiten thermischer Prozesse sind. Eine Schlüsselrolle in der konzeptionellen Integration von Mechanik und Thermodynamik spielte die Idee der Gleichwertigkeit von Wärme und mechanischer Arbeit, bestätigt in den Arbeiten des Arztes Julius Robert Mayer (1814–1878) und des Physikers James Prescott Joule (1818–1889). Durch Experimente mit einem in Flüssigkeit getauchten Rührwerk und der Messung der Temperaturerhöhung der Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit stellte Joule fest, dass zur Übertragung einer Kalorie Wärme auf ein System stets dieselbe mechanische Arbeit erforderlich ist.

Der englische Wissenschaftler William Thomson (Lord Kelvin; 1824–1907) führte das Energiekonzept im modernen physikalischen Sinne ein. Seitdem versteht man unter Energie die Fähigkeit eines physikalischen Systems, Arbeit zu verrichten. Später wurde eine allgemeine Maßeinheit für jede Form von Energie (mechanisch oder thermisch) und Arbeit eingeführt – das Joule. Dies war ein bedeutender Fortschritt in der Physik, da damit das Problem der Vereinheitlichung der Beschreibung mechanischer Bewegungen und des Wärmeaustauschs gelöst wurde, für deren Untersuchung zuvor unterschiedliche Maßeinheiten und experimentelle Methoden erforderlich waren.

Der theoretische Beitrag zur Ausgestaltung der klassischen Physik war mit der Formulierung des Energieerhaltungssatzes durch R. Mayer verbunden. Gestützt auf den ontologischen Grundsatz der Einheit der Welt und den methodologischen Grundsatz der Mechanik ging Mayer davon aus, dass es eine Art von Kraft gibt, die in einem ewigen Austausch und Kreislauf sowohl in der unbelebten als auch in der belebten Natur existiert. In allen physikalischen und chemischen Prozessen bleibt der Wert dieser Kraft unverändert, es ändert sich lediglich die Form der Kraft (in der modernen Wissenschaftssprache: Energie). Durch die Weiterentwicklung dieser Idee im Bereich thermischer Prozesse formulierte Mayer das erste Gesetz der Thermodynamik, wonach jeder isolierte Körper bestrebt ist, seine innere Energie zu erhalten. Die breite Anerkennung des ersten Gesetzes der Thermodynamik verdankt sich insbesondere dem Physiker und Physiologen Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821–1894), der auf dieser Grundlage die prinzipielle Unmöglichkeit einer Perpetuum-Mobilé-Maschine zeigte.

Zur theoretischen Grundlage der Thermodynamik trugen auch Sadi Carnot (1796–1832) bei, der das Grundprinzip der Wärmekraftmaschine entwickelte, sowie Rudolf Clausius (1822–1888), dem die Einführung des Entropiebegriffs, die Entdeckung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik und die Schaffung der molekular-kinetischen Gastheorie zu verdanken sind. In der molekular-kinetischen Theorie wurde Wärme als mit den kleinsten Teilchen der Materie verbundene Bewegungsenergie verstanden. Die chaotische Bewegung von Molekülen in Gasen oder Flüssigkeiten wurde auf die thermische Bewegung reduziert, die alle thermischen Eigenschaften von Körpern bestimmt. Das Konzept der inneren Energie eines Körpers wurde eingeführt, die durch die thermische Bewegung seiner Atome und Moleküle bestimmt ist und proportional zur Temperatur des Körpers ist. Unter Wärmemenge versteht man die Energie, die ein Körper aufnimmt oder an seine Umgebung abgibt. In einem abgeschlossenen System, das weder thermisch noch mechanisch mit der Umgebung interagiert, werden alle Prozesse durch die innere Energie gesteuert. Die gesamte Energieänderung eines Körpers setzt sich aus der zugeführten Wärme und der verrichteten Arbeit zusammen. Die Arbeit ist dabei keine Zustandsgröße des Körpers (wie z. B. potenzielle oder kinetische Energie in der Mechanik), sondern charakterisiert den Prozess, der die innere Energie des Körpers verändert, und hängt von der Art des Übergangs in einen anderen thermischen Zustand ab.

Das Konzept des thermodynamischen Gleichgewichts und der Entropie (von griechisch éntrōpía – Wenden, Umwandlung), die das quantitative Maß der Irreversibilität thermischer Prozesse widerspiegelt, führte zur Entdeckung einer neuen Gesetzmäßigkeit thermischer Prozesse. Nach Clausius ist die elementare Entropie das Verhältnis von Wärmemenge (in Kalorien) zur entsprechenden Temperatur (ΔQ/T). Die gesamte Entropie ist die Summe dieser Elemente. Beim Mischen von Flüssigkeiten oder Gasen unterschiedlicher Temperatur sinkt die Gesamttemperatur, während die Gesamtentropie zunimmt. 1865 formulierte Clausius ein neues Gesetz für thermodynamische Gleichgewichtssysteme: In allen Prozessen nimmt die Gesamtsumme der Entropie des Systems zu. Diese Gesetzmäßigkeit gilt für komplette Systeme, die nicht nur den betrachteten Körper, sondern auch seine Umgebung einschließen (z. B. Wasser + umgebende Luft). Der Trend zur Zunahme der Entropie bestimmt die Richtung vielfältiger Prozesse in der Natur, wie den Wärmefluss, chemische Reaktionen oder die Bewegung komprimierter Gase im freien Raum. Dies ist als der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bekannt.

Die Physik des 19. Jahrhunderts stellte fest, dass in Körpern enorme thermische Energie verborgen liegt. Ingenieure und Wissenschaftler versuchten, Maschinen zu entwickeln, die die Wärmeenergie der Umgebung aufnehmen und vollständig in Arbeit umwandeln könnten. Eine solche hypothetische Maschine wurde als Perpetuum Mobile zweiter Art bezeichnet. Das erste Gesetz der Thermodynamik schränkte die Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit nicht ein, doch das im Laufe des Jahrhunderts formulierte zweite Gesetz der Thermodynamik wies prinzipiell auf die Unmöglichkeit einer solchen Maschine hin, da die Entropie stets zunimmt. Mechanische Arbeit kann in Wärme umgewandelt werden (z. B. durch Reibung), der umgekehrte Prozess ist in einem abgeschlossenen System jedoch unmöglich, da ein makroskopischer Körper immer in einen wahrscheinlicheren Zustand übergeht, insbesondere einen kühleren. Beispielsweise ist es unmöglich, Dampf einfach durch Trennung von heißem und kaltem Wasser zu erzeugen. In der Realität vermischen sich kaltes und heißes Wasser, die Temperatur gleicht sich aus, und die Wärme wird an die Umgebung abgegeben, nicht umgekehrt.

Sadi Carnot lenkte erstmals die Aufmerksamkeit auf die Tatsache, dass das Verbot des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik für ein abgeschlossenes System gilt, das aus direkt miteinander in Kontakt stehenden Körpern mit unterschiedlicher Temperatur besteht. Wird zwischen einem heißen und einem kalten Körper ein dritter, sie trennender Körper eingefügt, ist sowohl die Umwandlung von Wärme in Arbeit als auch der Wärmetransport vom kälteren zum heißeren Körper möglich.

Die prinzipielle Konstruktion von Carnots Wärmekraftmaschine umfasste drei Körper: einen Heizkörper (Körper mit hoher Temperatur), einen Kühler (Körper mit niedriger Temperatur) und ein Arbeitsmedium, das bei unveränderter innerer Energie einen stetigen Kreisprozess des Wärmeaustauschs ermöglicht. Ein solcher Kreisprozess wird als thermodynamischer Zyklus bezeichnet. Carnots Zyklus bestand aus den Prozessen der isothermen und adiabatischen Expansion und Kompression eines idealen Gases. In der Physik der Wärmeprozesse spielt der ideale Carnot-Zyklus eine zentrale Rolle, da er die Grenzen der Umwandlung thermischer Energie in mechanische Arbeit aufzeigt.

Der Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus ist für Wärmekraftmaschinen maximal und wird ausschließlich durch den Temperaturunterschied zwischen Kühler und Heizkörper bestimmt. Der Energieanteil, der prinzipiell in nutzbare Arbeit umgewandelt werden kann, wird als freie Energie bezeichnet. In spontan ablaufenden Prozessen nimmt die freie Energie kontinuierlich ab, während die Gesamtentropie zunimmt. Dieser Effekt wird durch menschliche Aktivitäten zusätzlich verstärkt, da täglich Millionen Tonnen Kohle und Erdöl verbrannt werden.