Schlagwort-Archive: Wärme

Eine der wichtigsten naturwissenschaftlichen Erkenntnisse

Julius_Robert_Meyer
Julius_Robert_Meyer

Eine der wichtigsten naturwissenschaftlichen Erkenntnisse, die unsere gesamte Anschauung über das Wesen der Natur grundlegend beeinflusst hat, verdanken wir einem einfachen Arzt.

Der Vorgang ist deshalb noch besonders interessant, weil die tiefe Erkenntnis einem Menschen ganz plötzlich gelang, der bis dahin auch nicht das Geringste geleistet hatte, bei dem nichts auf eine besondere Befähigung hinwies, und der auch nicht zum zweiten Mal hervorgetreten ist.

Julius Robert Mayer wurde am 25. November 1814 als dritter Sohn eines Apothekers in Heilbronn geboren. Auf der Schule hat der Knabe sehr schlechte Leistungen aufzuweisen gehabt. Auch seine Doktordissertation über das damals gerade gefundene Santonin lässt in keiner Weise einen hervorragenden Denker oder Forscher erkennen. 1840 trat Mayer als Schiffsarzt in niederländische Dienste, um nach Java zu fahren. Der Inhalt des uns erhaltenen Tagebuchs dieser Reise ist durchaus belanglos.

Aber auf der Reede von Surabaya ging ihm durch eine an sich ganz nebensächliche Beobachtung plötzlich eine Gedankenreihe auf, die zu der grundlegenden Erkenntnis führte, dass Wärme und mechanische Arbeit miteinander verwandt seien, dass die eine sich in die andere umwandeln könne. Nach seiner Rückkehr fasste er am 16. Juni 1841 das von ihm entdeckte Gesetz von der Erhaltung der Kraft in einer kleinen Abhandlung zusammen, die er der damals bedeutendsten wissenschaftlich-physikalischen Zeitschrift, den »Poggendorff’schen Annalen« einsandte. Poggendorff erkannte den Wert der Arbeit nicht und schickte sie zurück. Man kann ihm daraus keinen allzu großen Vorwurf machen, da Mayer selbst seine Gedankenreihe sehr mangelhaft begründet hatte, wie es denn überhaupt scheint, dass er selbst die ganze epochale Bedeutung seiner Erkenntnis niemals ganz erfasst hat.

So ist es Julius Robert Mayer zu Lebzeiten denn auch niemals gelungen, sich durchzusetzen, und zahllose Gegner machten ihm so viel zu schaffen, dass er zwei Selbstmordversuche unternahm und 1878 verbittert starb. Dennoch steht fest, dass er als Erster das große Gesetz von der mechanischen Wärmeäquivalenz erkannt hat; nachdem es von Joule und namentlich von Helmholtz fester fundamentiert worden war, hat es auf die ganze Physik bedeutsamsten Einfluss gewonnen.

(Quelle: Moszkowski: 1000 Wunder; Wilhelm Ostwald: »Große Männer«. Akademische Verlagsgesellschaft m.b.H., Leipzig, 1909.)

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Außerirdisches Leben auf dem Saturnmond Enceladus?

Ein lebhafter kleiner Saturnmond

Enceladus, der sechstgrößte Trabant des Ringplaneten, steckt voller Überraschungen – und könnte Spuren von Leben bergen
Im Inneren des kleinen Saturnmonds Enceladus vermuten Planetenforscher organische Verbindungen, Kanäle oder gar Seen mit flüssigem Wasser. Energie, Kohlenstoffverbindungen, Wasser: die drei Voraussetzungen für Leben, wie wir es kennen. Die Erforschung dieses fremdartigen und fernen Orts bringt uns – nach unserem Nachbarplaneten Mars, dem Saturnmond Titan und dem Jupitermond Europa – eine weitere Welt im Sonnensystem nahe, die sich vielleicht für lebende Organismen eignet. Als die Raumsonde Cassini vor einigen Jahren die Südhalbkugel von Enceladus überflog, enthüllte sie eine Landschaft, die im Sonnensystem nicht ihresgleichen hat. Einen Eindruck von der Begeisterung, die dies unter Planetenforschern auslöste, vermittelt Carolyn Porco, Leiterin des Cassini-Kamerateams, in der Juniausgabe von Spektrum der Wissenschaft.

Bei Cassinis Wanderung über die Südpolregion fing der Staubanalysator winzige Partikel auf, die offenbar von dort emporgeschleudert worden waren. Zwei andere Instrumente entdeckten Wasserdampf sowie Anzeichen für Kohlendioxid, Stickstoff und Methan. Außerdem spürte die Infrarotkamera lokale Bodentemperaturen bis zu minus 90 Grad auf – weit mehr als die minus 200 Kelvin, die durch bloße Sonneneinstrahlung zu erwarten wären. Auf Fotos des Horizonts im Gegenlicht der Sonne sahen die Planetenforscher außerdem eine gewaltige Wolke kleiner Eispartikel, die sich um mehrere hundert Kilometer über den Südpol erhob.Seither hat die Cassini-Sonde mehrere Vorbeiflüge an Enceladus absolviert und ist in wenigen Kilometern Höhe in dichtere Regionen der Eruptionsfahne vorgedrungen. Bei einer besonders engen Passage im März 2008 entdeckte Cassini zusätzlich zu Wasserdampf, Stickstoff, Kohlendioxid und Methan kleine Beimengungen anderer Kohlenstoffverbindungen wie Azetylen und Cyanwasserstoff sowie Spuren von Ethan, Propan, Benzol, Formaldehyd und anderen organischen Verbindungen. Woher nimmt Enceladus die Energie für seine geologische Aktivität? Irdisches Gestein enthält radioaktive Substanzen, die Wärme erzeugen. Zweifellos gilt für Enceladus das Gleiche, aber all sein Gestein reicht nicht aus, die beobachtete Wärme zu produzieren. Ansonsten kommen als plausible Wärmequelle nur Gezeitenkräfte in Frage. So wie die Schwerkraft von Sonne und Mond unseren Planeten ein wenig deformiert und das Wechselspiel von Flut und Ebbe hervorruft, knetet Saturns Gravitation Enceladus durch. Wegen dessen exzentrischer Bahn variiert sein Abstand von Saturn. Je näher er ihm kommt, desto mehr wird er deformiert. Diese Variation erzeugt innere Verschiebungen und somit Wärme.

Da Enceladus unter der Oberfläche fast sicher Wasser birgt, stehen wir vor der faszinierenden Möglichkeit, dass sich in dem kleinen Mond zumindest Vorstufen von Leben regen. Einem Ökosystem auf Enceladus würden auf der Erde am ehesten unterirdische vulkanische Schichen ähneln, in denen Wasser in völliger Finsternis heißes Gestein umspült. Hier findet man Organismen, die entweder Wasserstoff und Kohlendioxid aufnehmen, um daraus Methan zu erzeugen, oder Wasserstoff und Sulfate; Energie beziehen sie nicht von der Sonne, sondern aus der Erdwärme.

Ob so etwas auch auf Enceladus existiert? Dafür müsste eine Sonde auf dem Saturnmond landen und sein Innenleben noch genauer untersuchen. Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2009

Traum-Diamanten mit 10 cm Durchmesser könnten bald Realität werden

Wissen Sie über künstliche Diamanten Bescheid?

Auf der Suche nach der Weltformel benötigt der Protagonist des gleichnamigen SciFi-Romans “Professor Allman” mindestens sechs diamantene Pyramiden um die im Kristall gespeicherten Informationen vollständig zu entschlüsseln. Professor Allman vermutet, dass die diamantenen Pyramiden mit der Kantenlänge 10 cm durch eine sehr fortschrittliche Zivilisation in den parallelen Universen hinterlassen wurden, da ihm keine Methode bekannt ist, solche riesigen Diamanten künstlich herzustellen. Nun erzielen Augsburger Physiker mit einem neuem Verfahren entscheidende Fortschritte in der Herstellung künstlicher Diamanten.

Diamantschicht(idw). Weltweit wird von vielen Wissenschaftlern an der Erforschung einer neuen Methode zur Herstellung von Diamant aus kohlenstoffhaltigen Gasen gearbeitet. Zu diesen zählt auch eine Gruppe von Experimentalphysikern der Universität Augsburg, die sich das Ziel gesetzt haben, ein Verfahren zu entwickeln, das es erlaubt, dünne Einkristalle von Diamant von nahezu beliebiger Größe zu synthetisieren. Bei diesen Bemühungen ist der Gruppe um Prof. Dr. Bernd Stritzker und Dr. Matthias Schreck in den letzten Monaten ein entscheidender Fortschritt gelungen, der großflächige Diamant-Einkristalle, wie sie für die zukünftige Realisierung einer Hochtemperaturelektronik notwendig sind, in greifbare Nähe rücken läßt.

Vergleicht man die physikalischen Materialparameter von Diamant mit denen aller anderen bekannten Werkstoffe, so findet man, daß Diamant in einigen Fällen – z. B. was Härte und Wärmeleitfähigkeit betrifft – absoluter Spitzenreiter ist; bei einer Reihe weiterer Größen weist er zusammen mit anderen Materialien die höchsten Werte auf. Diese einzigartige Kombination extremer Eigenschaften verschafft Diamant eine Sonderstellung unter allen Werkstoffen. Für eine Reihe technischer Anwendungen birgt dies das Potential, ultimative Lösungen zu finden, d. h. Lösungen, die durch weitere Entwicklungen nicht mehr zu verbessern sind – beispielsweise Leistungstransistoren, die bei extremen Temperaturen (800o C) arbeiten, oder Fenster für Hochleistungslaser.

Seit vor über 200 Jahren der französische Chemiker Lavoisier die ersten Hinweise hatte, daß Diamant ausschließlich aus Kohlenstoff besteht, haben Alchemisten, Chemiker und Physiker nach einem künstlichen Syntheseweg gesucht. Die Synthese, wie sie für die heutigen Industriediamanten verwendet wird, gelang aber erst in den 50er Jahren dieses Jahrhunderts bei Temperaturen von über 1400o C und Drücken von über 65.000 Atmosphären. Angesichts dieser unwirtlichen Bedingungen sowie der relativ geringen erreichbaren Größe der Kristalle – nach tagelanger Kristallzucht günstigstenfalls ca. 1 cm – bemühte man sich in den letzten Jahren um Alternativen. Diese Bemühungen führten zu einem neuen Verfahren, bei dem man in einer kohlenstoffhaltigen Gasatmosphäre unzählige – eine Milliarde pro Quadratzentimeter – kleinste Diamantkristallite wachsen läßt. Dünne, superharte Schichten, nach diesem Verfahren z. B. auf Bohrer als Verschleißschutz aufgebracht, sind schon heute käuflich erhältlich.

Da die Korngrenzen zwischen den einzelnen, unterschiedlich orientierten Kristalliten den Elektronenfluß behindern, sind sie in dieser Form für Mikroelektronik allerdings nicht zu verwenden. Bei anderen Materialien behelfen sich Wissenschaftler in solch einem Fall üblicherweise damit, daß sie die einzelnen Kristallite – auf einer geschickt gewählten Unterlage – alle identisch ausrichten, so daß sie zu einem perfekten Einkristall zusammenwachsen können. Die Augsburger Physiker haben dieses Verfahren für Diamant nun entscheidend optimiert: Im Rahmen einer Diplomarbeit von Harald Roll haben sie das für das Diamantwachstum üblicherweise als Unterlage verwendete Silizium durch eine hauchdünne, auf einen Einkristall von Strontiumtitanat aufgebrachte Schicht des Edelmetalls Iridium ersetzt. Damit erzielten sie sofort eine im Vergleich zu allen früheren Arbeiten fünf- bis zehnfach bessere Ausrichtung der Diamantkristallite. Stritzker und Schreck sind zuversichtlich, die von ihnen erreichte und zur Zeit unübertroffene Präzision der Ausrichtung von wenigen Zehntel Grad in der nächsten Zeit weiter verbessern zu können. Der Traum vieler Materialwissenschaftler, Einkristalle aus dem einzigartigen Material Diamant mit Durchmessern von 10 cm und mehr für verschiedenste Anwendungen zur Verfügung zu haben, könnte damit schon bald Realität werden.

Energie: Strom aus der Steckdose für Apparate bald überflüssig?

Wissen Sie wie Strom aus der Steckdose für Apparate überflüssig werden kann? Hier jetzt die Antwort!

Mit dem Handy telefonieren, ganz ohne Akku, nur durch die Wärme der Hand? Das ist noch Zukunftsmusik. Doch dank neuer Schaltungen lässt sich bereits jetzt die Hitze des Körpers nutzen, um Strom zu gewinnen.

Auf der Intensivstation sind am Körper des Patienten viele Apparate angeschlossen. Sie überwachen Herzfrequenz, Blutdruck, Körpertemperatur, Puls oder Atemfrequenz. Für gewöhnlich herrscht ein großes Kabelgewirr, denn sämtliche Geräte müssen mit Strom versorgt werden. In Zukunft kommen medizinische Sensoren möglicherweise ohne den Strom aus der Steckdose aus. Stattdessen zapfen sie Energie allein aus der Wärme des menschlichen Körpers. Per Funksignal senden sie dann die entsprechenden Daten an die zentrale Überwachungsstation.

Forscher vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen haben mit ihren Kollegen von den Fraunhofer-Instituten für Physikalische Messtechnik IPM und für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM eine Methode entwickelt, um die natürliche Körperwärme zur Energiegewinnung zu nutzen. Grundlage sind thermoelektrische Generatoren, kurz TEG, aus Halbleiterelementen. Die TEGs gewinnen elektrische Energie allein aus der Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Umgebung. Normalerweise sind Unterschiede von mehreren zehn Grad notwendig, um ausreichend Strom zu erzeugen. Die Unterschiede zwischen der Außentemperatur des Körpers und seiner Umgebung betragen aber nur wenige Grad. “Mit solchen Differenzen lassen sich nur geringe Spannungen erzeugen”, erklärt Peter Spies, Teilprojektleiter am IIS. Etwa 200 Millivolt liefert ein gewöhnlicher TEG. Für die Versorgung von elektronischen Geräten sind jedoch mindestens ein bis zwei Volt erforderlich. Für dieses Problem haben die Ingenieure eine Lösung parat: “Wir haben Schaltungen entwickelt, die mit 200 Millivolt auskommen, indem wir verschiedene Bauteile ganz neu kombiniert haben”, sagt Spies. “So konnten wir ganze elektronische Systeme bauen, die keine interne Batterie benötigen, sondern allein durch Köperwärme ihre Energie gewinnen.” Dieses System verbessern die Wissenschaftler weiter: Es existieren bereits Schaltungen, die bei 50 Millivolt “anschwingen”, wie es in der Fachsprache heißt. Peter Spies glaubt, dass durch weitere Verbesserungen der Schaltsysteme in Zukunft ein Temperaturunterschied von nur 0,5 Grad für die Stromerzeugung ausreichend sein wird.

Die Forscher haben eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten im Visier: “Die Stromerzeugung aus Wärme lässt sich überall dort nutzen, wo eine Temperaturdifferenz auftritt”, sagt Spies. “Sei es am Körper, an Heizungen zur Kalkulation der Heizkosten, zur Überwachung der Kühlkette beim Transport gekühlter Güter oder in Klimaanlagen.”
Quelle: Informationsdienst Wissenschaft (idw)

Über die Wechselwirkung der Naturkräfte, Hermann von Helmholtz

Helmholtz: Die Wechselwirkung der Naturkräfte
Helmholtz: Die Wechselwirkung der Naturkräfte. Foto: Sedlacek

Die Physik hat mit dem Prinzip der Energieerhaltung eine Errungenschaft von sehr allgemeinem Interesse gemacht. Es handelt sich dabei um ein Naturgesetz, welches das Wirken sämtlicher Naturkräfte in ihren gegenseitigen Beziehungen zueinander beherrscht und eine ebenso große Bedeutung für unsere theoretischen Vorstellungen von den Naturprozessen hat, als es für die technische Anwendung derselben von Wichtigkeit ist.
Das Prinzip besagt: Die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System bleibt konstant. Zwar kann Energie zwischen verschiedenen Energieformen umgewandelt werden, beispielsweise von Bewegungsenergie in Wärmeenergie. Es ist jedoch nicht möglich, innerhalb eines abgeschlossenen Systems Energie zu erzeugen oder zu vernichten. Das ist der Grund, warum die Suche nach einem Perpetuum mobile in die Irre führt.
Endgültig ausformuliert wurde der Energieerhaltungssatz 1847 von Hermann von Helmholtz. In der vorliegenden Schrift über die „Wechselwirkungen der Naturkräfte“ gibt Helmholtz dem Leser allgemeinverständlich eine sehr plastische Vorstellung über das Wirken von Kräften in den Naturprozessen, die mit geringfügigen Modifikationen heute nach wie vor ihre Gültigkeit hat.
Für alle, die das Wirken der Natur besser verstehen wollen.

Jetzt lesen!

Von der Weltseele zum Quantenvakuum von Kurd Lasswitz

Lasswitz, Kurd: Von der Weltseele zum Quantenvakuum. Foto:Sedlacek
Lasswitz, Kurd: Von der Weltseele zum Quantenvakuum. Foto:Sedlacek

Das Grundproblem aller Naturerklärung ist gleichbedeutend mit der so einfach klingenden Frage: Worin besteht die Wechselwirkung der Dinge? Die Realität des mathematischen Gesetzes, die den Gedankengang Platons beherrschte, gibt uns nur einen Teil der gesuchten Aufklärung über die Realität der Dinge. Es muß noch eine andere Realität geben als die mathematische Form, einen Inhalt in den Dingen, der im Raum sich stößt und treibt, den wir als Empfindung in Ton und Farbe, als Druck und Wärme erleben. Wie kann sich die Wissenschaft dieses Inhalts bemächtigen?

Jetzt lesen!