Die vorliegende Bachelorarbeit setzt sich zum Ziel, den Paradigmenwechsel bei der Entstehung der Thermodynamik aus historischer und philosophischer Sicht aufzuarbeiten. Die philosophische Betrachtung basiert auf Grundlage der Lektüre des Buchs „Strukturen wissenschaftlicher Revolution“ von Thomas S. Kuhn. Seine Theorie beschäftigt sich mit der Entwicklung von Wissenschaft, die sich in revolutionären Prozessen vollzieht, und sie verallgemeinert Strukturen, die allen historischen Entwicklungen verschiedener Naturwissenschaften gemein sind. So lässt sich die Theorie auf verschiedene Revolutionen der Physikgeschichte beziehen. Im Fall dieser Literaturarbeit wird der historische Paradigmenwechsel von der Stofftheorie der Wärme zur kinetischen Theorie der Wärme betrachtet.
Inhaltsverzeichnis
1. Abstract
2. Theorieteil: Die Strukturen wissenschaftlicher Revolutionen und ihre Bedeutung für die Wissenschaftstheorie
2.1 Kuhn
2.2 Kuhn und die neue Wissenschaftshistoriografie
2.3 Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen
2.4 Sekundärliteratur
2.5 Methodik der Arbeit
3. Hauptteil: Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen in Bezug auf die Entwicklung der Thermodynamik
3.1 Vorgeschichte
3.1 Ausgangspunkt: Antonie Lavoisier und die kalorische Theorie der Wärme
3.2 Graf Rumford und die Anomalien der Wärmestofftheorie
3.3 Sadi Carnot und die bewegende Kraft der Wärme
3.4 James Prescott Joule und das mechanische Wärmeäquivalent
3.5 Rudolf Clausius und die Entropie
3.6 Bolzmanns mechanistischer Überzeugungsversuch
4. Schluss
4.1 Zusammenfassung der Erkenntnisse
4.2 Schulbezug: Bedeutung der Disziplinen Wissenschaftstheorie und Wissenschaftshistorik für die Pädagogik
4.3 Didaktische Anmerkungen
5. Quellen
5.1 Literatur
5.2 Bildquellen
Anmerkung der Redaktion: Teile der Abbildungen wurden aus urheberrechtlichen entfernt.
Abkürzungen:
SSR: Die Strukturen wissenschaftlicher Revolutionen
NW: Normale Wissenschaft
CCT: Conceptual Change Theory
1. Abstract
Die vorliegende Bachelorarbeit setzt sich zum Ziel, den Paradigmenwechsel bei der Entstehung der Thermodynamik aus historischer und philosophischer Sicht aufzuarbeiten. Die philosophische Betrachtung basiert auf Grundlage der Lektüre des Buchs „Strukturen wissenschaftlicher Revolution“ von Thomas S. Kuhn. Seine Theorie beschäftigt sich mit der Entwicklung von Wissenschaft, die sich in revolutionären Prozessen vollzieht und sie verallgemeinert Strukturen, die allen historischen Entwicklungen verschiedener Naturwissenschaften gemein sind. So lässt sich die Theorie auf verschiedene Revolutionen der Physikgeschichte beziehen. Im Fall dieser Literaturarbeit wird der historische Paradigmenwechsel von der Stofftheorie der Wärme zur kinetischen Theorie der Wärme betrachtet.
Aufbau und Ziele der Arbeit
Zunächst werden im Theorieteil die elementarsten Punkte der SSR dargestellt. Die Storyline beginnt mit einer Kurzbiografie Kuhns und führt über die Hintergründe der Entdeckung wissenschaftlicher Revolutionen bis hin zur Darstellung seiner Theorie. Es erfolgen zur Erörterung der Theorie vorab eigene Beispiele aus der Entwicklung der Thermodynamik. Im Hauptteil rekonstruiere ich die Geschichte des Paradigmenwechsels ausgehend von historischen Quellen. Die historisch-chronologisch gegliederte Arbeit geht zunächst von dem stofflichen Paradigma der Wärme nach Lavoisier aus und beschreibt dann den Weg zur Formulierung der ersten beiden Hauptsätze, die die phänomenologische Thermodynamik stützen. An der Thermodynamik waren viele Theoretiker beteiligt, wobei die relevantesten Schlüsselfiguren für den Paradigmenwechsel in die Erzählung aufgenommen wurden. Ziel des Hautteils ist eine detaillierte historische Rekonstruktion, anhand der philosophische und fachliche Betrachtungen entfaltet werden können. Dabei vereint die Arbeit die Disziplinen Wissenschaftsphilosophie, Wissenschaftshistorik und enthält zudem fachliche Elemente der Physik. Die Schwierigkeit der Arbeit besteht darin, die 200-seitige Theorie von Kuhn mit einem 100 Jahre währenden Paradigmenwechsel in einer kurzen Arbeit vollständig abzubilden. An manchen Stellen wäre ich gerne philosophischer geworden, an anderen hätte ich gerne mehr über fachliche Inhalte geschrieben. Im Schluss der Arbeit findet eine Reflexion statt, die wichtige gewonnene Erkenntnisse festhält und Bezüge zwischen den verschiedenen Disziplinen herstellt. Die wissenschaftstheoretische Arbeit stellt Schulbezüge her, indem die Bedeutung der Disziplinen Wissenschaftshistorik und Wissenschaftstheorie für den Unterricht der Sekundarstufe 1 erläutert werden. Unter anderem werde ich auf die Conceptual Change Theorie von Posner und Strike eingehen, welche zeigt, dass der Konzeptwechsel der Lernenden viele Parallelen zu Paradigmenwechseln aufweist.
L1 Passt Kuhns Theorie auf die zu untersuchende Epoche?
L2 Wie entwickelten sich die Theorien über Wärme?
L3 Was sind die Hintergründe des lange währenden Paradigmenwechsels?
L4 Welche Schwierigkeiten zogen den Paradigmenwechsel in die Länge?
L5 Welche Rolle spielten wissenschaftliche Gemeinschaften bei der Entstehung der Thermodynamik?
L6 Welche Bedeutung haben die Disziplinen Wissenschaftshistorik und Wissenschaftstheorie für den Unterricht der Mittelstufe?
2. Theorieteil: Die Strukturen wissenschaftlicher Revolutionen und ihre Bedeutung für die Wissenschaftstheorie
2.1 Kuhn
Thomas S. Kuhn wurde 1922 in Cincinnati, Ohio geboren.1 Der junge Kuhn studierte an der Harvarduniversität Physik und schloss sein Studium innerhalb kürzester Zeit mit der Auszeichnung „Summa cum Laude“ ab.2 Innerhalb des Studiums besuchte er auch philosophische Kurse und entwickelte ein Interesse für Wissenschaftsgeschichte. Im Jahr 1943 war Kuhn am Radio Research Laboratory in Harvard an der kriegsdienlichen Entwicklung der Radarabwehr beschäftigt. Gegen Kriegsende wurde Kuhn nach Europa geschickt, um die dortige Radartechnologie zu studieren. Nach Kriegsende begann Kuhn in Harvard zu promovieren. Zur Erreichung seines Ziels, die Promotion möglichst schnell zu vollenden, wählte er die Festkörperphysik als Forschungsgegenstand, dabei wurde Kuhn von dem Nobelpreisträger Van Fleck betreut. Nun konnte Kuhn seiner eigentlichen Arbeit mehr Aufmerksamkeit schenken. Er strebte keine klassische Karriere als experimenteller oder theoretischer Physiker an3, sondern verschrieb sich der interdisziplinären Arbeit, die philosophischen Grundsätze der Naturwissenschaft in Verbindung mit der Wissenschaftsgeschichte zu studieren. Im Rahmen eines Kurses über die Geschichte der Mechanik befasste sich der dozierende Kuhn erstmalig intensiv mit der Wissenschaftsgeschichte. Der Chemiker James Conant beauftragte Kuhn die wissenschaftshistorische Vorlesung zu gestalten, mit dem Ziel dem Nicht-Physiker und somit auch der breiten Öffentlichkeit ein Verständnis von der Funktionsweise der Naturwissenschaften zu vermitteln.
2.2 Kuhn und die neue Wissenschaftshistoriografie
Im Rahmen seiner historischen Analysen macht Kuhn im Jahr 1947 eine außerordentliche Entdeckung. Bei der Entwicklung der Mechanik sind die Theoretiker Newton, Galilei und Aristoteles als wichtigstes Trio zu aufzuführen. Letzt genannter lebte vor über zweitausend Jahren und zeichnete sich durch seine scharfsinnige Beobachtungsgabe aus. Vergleicht man Aristoteles Theorie mit Galileis und Newtons, so fällt die große Diskrepanz zwischen den Werken auf. Im Vergleich zur newtonschen Mechanik, die heute für die Beschreibung von Bewegungen herangezogen wird, wirken die Texte von Aristoteles auf den ersten Blick weltfremd und unvereinbar. Wie konnte es sein, dass sich diese Theorie über mehr als tausend Jahre halten konnte?4 5 Tief versunken in Aristoteles Werk, entdeckte Kuhn schlagartig eine neue Lesart des Textes. Es ist ihm gelungen, sein aktuelles Bild der Physik und Jahrtausende von kulturellem Unterschied zu überwinden, um ein höheres Verständnis des Naturphilosophen zu erlangen. Grund für das neue Verständnis war der Bedeutungswechsel einiger Begriffe. Die jahrtausendelange Entwicklung der Wissenschaft sorgte für eine Verschiebung der Bedeutung viele Begriffe. Durch diese Begriffsentwicklung sind damalige Texte nicht mit dem heutigen Wissen kongruent. Die Methodik, welche sich Kuhn zunutze machte, nennt sich Hermeneutik. Durch dieses Vorgehen waren die Kulturwissenschaften des 17. Jahrhunderts in der Lage, vergessene Texte aus der Antike ihren Sinn zu entnehmen und sich an dem Wissen der vergangenen Generationen zu bereichern. Ab diesem Moment war Kuhn klar, dass die hermeneutische Methodik eine Umwälzung des Bildes der vergessenen Wissenschaft bewirken kann und diese auch in das Repertoire der Wissenschaftshistorik aufgenommen werden sollte. Kuhns erste Ergebnisse in der Auseinandersetzung mit der Wissenschaftsgeschichte gab eine neue Sichtweise auf die Wissenschaftshistorik frei. Seine Thesen prägten die neue wissenschaftsinterne Historiografie, eine neue Forschungsgrundlage, die Kuhn nutzt, um daraus philosophische und wissenschaftstheoretische Konsequenzen abzuleiten. Zunächst einmal stellt sich die Frage, welche Änderungen sich in der Wissenschaftshistoriografie ergaben. Die ältere Wissenschaftshistoriografie verfolgte einen didaktisch-pädagogischen Zweck6, wodurch bei der Betrachtung der Geschichte nur das, für die zeitgenössische Physik, Relevante in die Geschichtsschreibung aufgenommen wurde. Ich versuche diese Tatsache wie folgt zu illustrieren: Nach der damaligen Geschichtsschreibung hätte man für die Entwicklung der phänomenologischen Thermodynamik nur Meilensteine der Wissenschaftsentwicklung im Sinn, die für die heutige Theorie von Bedeutung sind. Dazu gehören Rumfords Versuche, welche kinetische Theorie befeuern und die Entdeckung des mechanischen Wärmeäquivalents durch Joule, während die für die heutige Theorie irrelevante Substanzvorstellung der Wärme nach Lavoisier in den Hintergrund rückt. Die Historiker der älteren Historiografie sehen also Rumford mit Kanonenrohr und Joule mit seinem Schaufelrad, aber nicht Lavoisier mit seinem Kalorimeter. Auch Theorien, welche sich nicht bis heute bewährt haben, verdienen eine Berücksichtigung in der Geschichtsschreibung, da sie die heutigen Begriffe prägten, aus ihr relevante kanonische Experimente hervorgingen und diese eine zentrale Rolle im Hinblick auf das Wissenschaftsverständnis spielen. Die ältere Tradition der Wissenschaftshistorik erzeugte, durch die alleinige Rückverfolgung der heutigen Wissenschaft auf den Ursprung, ein verzerrtes Bild der älteren Wissenschaft und der Wissenschaftsentwicklung. Den Nutzen einer Historiografie, die überholte, aber dennoch relevante Theorien berücksichtigt und vollständig analysiert, erkannte Kuhn, dessen Folgerungen eine entscheidende Umwälzung der Wissenschaftstheorie bedeutende.
Kuhn wollte die vergangene Wissenschaft aus Sicht der damaligen Akteure verstehen7 und es gelang ihm durch seine detaillierten historischen Untersuchungen eine authentische Rekonstruktion. Die Tradition der neuen Historiografie, die Kuhn mitbegründete, setzt sich zum Ziel, die alte Wissenschaft durch die hermeneutische Methodik zugänglich zu machen. Diese Methodik der Analyse vergessener Texte, deren Leser eine kulturelle und zeitliche Differenz vom Verständnis hindert, setzt sich die Befreiung von ethnozentrischen und präsentistischen Vorurteilen8 zum Ziel. In Bezug auf Wissenschaftshistorik bedeutet Hermeneutik eine möglichst genaue Rekonstruktion der vergangenen Wissenschaft. Anstatt die heutige Wissenschaft in die Vergangenheit zu projizieren, müssen die damaligen Theorien durch die Analyse der Schriften der damaligen Akteure wiedergefunden und auf ihre logische Struktur hin durchdrungen werden. Als Grundlage dafür dienen zeitgenössische Texte der zu untersuchenden Episoden. Dazu gehören neben den veröffentlichen Quellen wie Artikeln und Lehrbüchern auch unveröffentlichte Texte, wie wissenschaftliche Briefwechsel, Tagebücher und Laborbücher.9 Anhand des historischen Beispiels der Entwicklung der Thermodynamik wird deutlich, wie umfangreich historische Analysen ausfallen können. An dem Prozess waren etliche Forscher des 19. Jahrhunderts beteiligt die, die damalige wissenschaftliche Kultur repräsentieren. Ziel der Rekonstruktion damaliger Wissenschaft ist es ihre Standpunkte, ihre Bedeutung für die Entwicklung der Theorie und die Interaktion mit anderen Forschern insofern nachzuvollziehen, dass sich Begriffe in ihrer damaligen Bedeutung entfalten und sie in ihrer Entwicklung verfolgt werden können. Bei genauer Analyse stellt sich heraus, dass damalige Erklärungsmodelle logische Strukturen aufweisen, die mit der heutigen Wissenschaft teilweise unverträglich sind. Begriffe sind einer Dynamik unterworfen, wodurch sich ein Wandel in ihrer Bedeutung ergab. Ergebnis dieser Bemühungen ist die Renaissance einer vergangenen Wissenschaft.
2.3 Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen
Der Vergleich der wiederbelebten Wissenschaft mit der heutigen hat zufolge, dass sich eine neue Sichtweise auf wissenschaftliche Entwicklung manifestiert, die Kuhn in seinem 1962 erschienen Essay „The Structure of Scientific Revolutions“ prägte.
„Wenn man die Geschichtsschreibung führ mehr als nur ein Hort von Anekdoten und Chronologien hält, könnte sie eine entscheidende Verwandlung im Bild der Wissenschaft, wie es uns zurzeit gefangen hält, bewirken.“10
Kuhns Aussage zu Beginn des Textes hebt die weitreichenden philosophischen Konsequenzen hervor, welche die neue wissenschaftsinterne Historiografie mit sich zieht. In seiner deskriptiven Arbeit beschreibt er wie sich Wissenschaftsentwicklung tatsächlich im Laufe der Geschichte ereignet hat und bricht somit die Vorherrschaft von Poppers normativen Modell der Wissenschaftsentwicklung innerhalb der Wissenschaftstheorie.11 Die Hauptthese Kuhns ist die Tatsache, dass sich wissenschaftliche Entwicklung nicht wie zuvor angenommen als linear-evolutionärer Prozess vollzieht, bei dem bereits existierende Erkenntnisse nicht mehr weiter angefochten, sondern nur durch Forschung erweitert werden. Stattdessen ist die Entwicklung der Naturwissenschaften von revolutionären Prozessen geprägt, die sich in der Wissenschaftsgeschichte innerhalb verschiedener Disziplinen mehrfach ereigneten. Ergebnisse dieser revolutionären Prozesse waren schlagartige Wechsel in den Grundannahmen eines Fachgebiets. Als prominentestes Beispiel ist die kopernikanische Wende zu nennen, bei der das geozentrische Weltbild zugunsten des heliozentrischen Weltbilds aufgegeben wurde.
Das Ablaufmodell wissenschaftlicher Entwicklung
Kuhn stellte ein mehrphasiges Ablaufmodell (B2) vor, dass die Entwicklung der Wissenschaft beschreibt und anhand dem sein Essay SSR gegliedert12 ist. Anhand dieses Modells werde ich einen Großteil von Kuhns Theorie erläutern und wichtige Begriffe definieren.
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
B1 Kuhns Ablaufmodell
Kuhns Theorie unterscheidet zwei Stadien, in denen sich eine Wissenschaft befinden kann. Entweder handelt es sich um unreife oder reife Wissenschaft. Bei der unreifen Wissenschaft herrscht keine Einigkeit der Wissenschaftsgemeinschaft über relevante Grundfragen der Disziplin, stattdessen konkurrieren mehrere Schulen, die verschiedenen Theorien zu bestimmten Phänomenen aufstellen.13 Dieser fehlende Konsens bezüglich der Grundlagen eines Fachgebiets ist typisch für das Stadium der unreifen Wissenschaft, welche gemäß der Grafik den 0. Schritt darstellt. Als Folge der Pluralität von Grundansichten innerhalb der Disziplin ist die Forschung stärker auf die Grundlagen fokussiert und sie kann als viel oberflächlicher, spekulativer, weniger zielgerichtet und diffuser gegenüber einer Wissenschaft, in der ein solcher Konsens besteht, charakterisiert werden.14 Gelingt nun einer der konkurrierenden Schulen ein wissenschaftlicher Durchbruch, den auch Mitglieder anderer Schulen überzeugt, so besteht die Möglichkeit, dass die Wissenschaft in das Stadium der Reife übergeht. Dazu muss die Theorie für einen Wandel innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft sorgen. Mitglieder anderer Schulen müssen sich einer leitenden Theorie, welche wesentlich leistungsfähiger als andere Theorien erscheint, anschließen. Gelingt es einer Schule, einen bedeutenden Großteil der Wissenschaftsgemeinschaft für die Grundansichten und Theorien zu überzeugen, so herrscht nun innerhalb der Wissenschaftsgemeinschaft ein breiter Konsens über die Grundfragen der Disziplin und es kann von reifer Wissenschaft gesprochen werden. Diese Forschungsleistung einer leitenden Theorie, über die Einigkeit herrscht und welche als Forschungsgrundlage dienen kann, nennt Kuhn „Paradigma.“
Paradigmen
Der Paradigmenbegriff ist einer der elementarsten Begriffe von Kuhns Theorie und er trennt die unreife von der reifen Wissenschaft. Paradigmen können als Theorien und Grundannahmen, die Forschung auf einem Gebiet anleiten, charakterisiert werden. Darüber hinaus werden sie von soziologischen Faktoren beeinflusst. Denn was als paradigmatisch, gilt unterliegt der Konsensbildung der Wissenschaftsgemeinschaft, wodurch der Begriff und Kuhns Theorie eine wissenschaftssoziologische Dimension bekommt. Innerhalb seines Essays konnten 21 Deutungen15 des Paradigmenbegriffs ausgemacht werden, was neben weiteren Unklarheiten und Dunkelheiten dazu führte, dass der Text aufgrund dessen Plastizität16 in der Kritik geriet. Im Folgenden wird der Begriff anhand des Ablaufmodells wissenschaftlicher Entwicklung noch genauer illustriert.
Normale Wissenschaft
Nach dem Übergang einer Wissenschaft in das Reife-Stadium befindet sich die Forschung in der normalen Wissenschaft. Tätigkeit dieser Phase ist es zunächst, das bestehende Paradigma mit der Natur in Einklang zu bringen. Innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft herrscht nun ein einheitliches Paradigma, das die Forschungstätigkeit anleitet und wodurch es den Akteuren möglich ist, dieser Tätigkeit von einer gemeinsamen Basis aus nachzugehen. Dadurch schreitet der Erkenntnisgewinn innerhalb der normalen Wissenschaft rasant voran. Kuhn vergleicht die normale Forschungstätigkeit im Rahmen einer multidimensionalen Analogie mit dem Rätsellösen bei Schachproblemen, Kreuzworträtsel und Puzzles. Beim sogenannten „Puzzle-Solving“ werden Phänomene aus Sicht des Paradigmas untersucht und es wird versucht, mittels Experimente und Theorien Erkenntnisse zu gewinnen, die das Paradigma weiter stützen und ausarbeiten. Genau wie bei einem Spiel hat sich der Akteur an gewisse Regeln zu halten. In der normalen Wissenschaft leiten sich diese Regeln aus dem Paradigma ab.17 Beispielsweise legt das heutige Paradigma der Thermodynamik dessen Hauptsätze. zugrunde. Es beinhaltet zudem elementarste Annahmen wie den Atomismus und die Anschauung von Wärme als Teilchenbewegung, die nicht infrage gestellt werden. Jeder Forscher, welcher normale Wissenschaft betreiben möchte, hat sich an diese Reglementierungen, durch die vom Paradigma vertretenen Grundlagen zu halten. Anderenfalls handelt es sich um außerordentliche Wissenschaft. Ebenso wie im Spiel, bei dem Regeln nicht verändert oder umgestoßen werden dürfen, gilt dies für die normale Wissenschaft in Bezug auf das Paradigma. Reglementierungen, die sich aus dem Paradigma ableiten, bleiben bestehen und werden nicht infrage gestellt. Da Paradigmen die Spielregeln vorgeben, bewegt sich normale Wissenschaft immer in dem Rahmen des vom Paradigma Erklärbaren. Das Finden neuer Regeln, wie neue Theorien und Phänomene ist nicht Teil des Spiels. Obwohl im Rahmen normaler Wissenschaft große Fortschritte bei der Erklärung vieler Phänomene verzeichnet werden, bleiben einige Phänomene unerforscht und sind nicht durch das Paradigma zu erklären. An ein Paradigma wird nicht den Anspruch gestellt, dass es eine vollständige Erklärung aller Phänomene liefert18, es sollte sich lediglich wesentlich leistungsfähiger als die konkurrierenden Theorien herausstellen. Dabei bleibt immer die Frage offen, ob das aktuelle Paradigma endgültig ist. Innerhalb der Normalwissenschaft sind die Forscher dazu verpflichtet, an die vom Paradigma vertretenen Grundannahmen zu glauben, wodurch normale Wissenschaft ein dogmatisches Element enthält. Normalwissenschaftlicher Dogmatismus bedeutet ein Glaubensbekenntnis der Forschungsgemeinschaft zum gemeinsamen Konsens.
Philosophischer Einschub
Aus philosophischer Sicht ist man der Einschränkung unterworfen, dass der Konsens des Paradigmas keine Annäherung an die Wahrheit darstellt. Eine Theorie, die dem menschlichen Geist entspringt und sich als Folge von soziologischen Prozessen bewährt, kann dies nicht leisten. Diese Tatsache kann durch zahlreiche historische Beispiele belegt werden, bei denen ein vielversprechendes Erklärungsmodell zugunsten eines anderen verworfen wurde. Durch diese sogenannten Paradigmenwechsel lehrt uns die Wissenschaftsgeschichte, dass menschliche Wahrheitsansprüche obsolet sind. Ähnlich wie in Platons Höhlengleichnis gilt für die Wissenschaftsphilosophie, dass die Menschheit in einer Erfahrungswelt lebt, die sich nur durch menschliche Sinne erschließen lässt, während ihr die wahre Welt verborgen bleibt.
„Bei näherer Untersuchung sei sie historisch oder im modernen Labor, erscheint dieses Unternehmen als Versuch, die Natur in die vorgeformte und relativ starre Schublade, welche das Paradigma darstellt, hineinzuzwängen, In keiner Weise ist es das Ziel der normalen Wissenschaft, neue Phänomene zu finden und tatsächlich werden die nicht in die Schublade hineinpassenden oft überhaupt nicht gesehen. Normalerweise erheben die Wissenschaftler auch nicht den Anspruch, neue Theorien zu finden, und oft genug sind sie intolerant gegenüber den von anderen gefundenen. normalwissenschaftliche Forschung ist vielmehr auf die Verdeutlichung der vom Paradigma bereits vertretenen Phänomene und Theorien ausgerichtet.“19
Kuhn beschreibt die normale Wissenschaft als Versuch, die Natur durch eine vorgeformte Theorie (Paradigma) zu fassen. Da jedoch zu wenig Raum für die nicht erklärbaren Phänomene geboten wird, weil Paradigmen diese ausschließen, bleibt es beim Versuch. Stattdessen wird die komplexe Natur auf die relevantesten Phänomene reduziert und durch bestmögliche Erklärungsmodelle beschrieben. Tätigkeit ist es, die vom Paradigma erklärbaren Theorien weiterzuentwickeln, während andere Phänomene in den Hintergrund geraten. Innerhalb der normalen Wissenschaft befinden sich Forscher in einer Art Blase. Befangen von ihrem wissenschaftlichen Weltbild sind sie unfähig zur Erschließung neuer Phänomene und Theorien und zeigen Intoleranz bezüglich Neuerungen. Neben dem Großteil der wissenschaftlichen Gemeinschaft, welche im bestehenden Paradigma arbeitet, gibt es einige Forscher, die nicht den Reglementierungen des Spiels normaler Wissenschaft unterworfen sind und außerordentliche Wissenschaft betreiben. Dabei handelt es sich um eine Gruppe von Außenseitern, die andere theoretische Positionen vertreten und ganz andere Phänomene für relevant halten. Ihr Ziel ist es, weniger beachtete Theorien weiterzuentwickeln und im besten Fall ein Paradigmenwechsel herbeizuführen.
Anomalien und Krisen
Nachdem im Rahmen der normalen Wissenschaft große Fortschritte erzielt wurden und durch das ausdifferenzierte Paradigma viele Phänomene erklärt werden konnten treten gewöhnlicher Weise gewisse Ungereimtheiten zutage, die das derzeitige Paradigma nicht erklären kann oder die diesem widersprechen. Es ist von Anomalien die Rede, die Paradigmen zum Verhängnis werden können. Ein klassisches Beispiel für Anomalien stellt das Phänomen der Reibungswärme aus Sicht des Stoffparadigmas dar. Reibungswärme kann in unbegrenzter Menge durch mechanische Arbeit erzeugt werden. Jedoch ist dies unvereinbar mit der Vorstellung von Wärme als Stoff, da nach einer Ressourcenvorstellung dieser nur in begrenzter Menge vorhanden sein kann. Es ist zu sehen, dass die Anomalie der Reibungswärme dem Stoffparadigma widerspricht und dessen Kernaussage angreift. Beim gehäuften Auftreten von Anomalien schwindet das Vertrauen an die einst vielversprechende Theorie, wodurch die NW in die Phase der Krise übergeht. Auch der in Krise bleiben Paradigmen zunächst bestehen. Erst wenn eine Theorie entwickelt wird, die ein wesentlich besseres Erklärungsmodell abgibt, kann diese das bestehende Paradigma ablösen.
Außerordentliche Wissenschaft
Die außerordentliche Forschung erlebt in der Krise ihre Hochphase. Bei schwindendem Vertrauen an das Paradigma wenden sich viele Wissenschaftler von diesem ab und betreiben außerordentliche Wissenschaft. In dieser Phase werden andere Erklärungsansätze überprüft, die das Potenzial haben, paradigmatisch zu werden. Gelingt der außerordentlichen Wissenschaft ein Durchbruch mit einer Theorie, die bezüglich ihrer Qualität dem Paradigma in der Krise überlegen ist und an der die Forschungstradition anknüpfen kann, so kommt es zu einem Paradigmenwechsel. Paradigmenwechsel, welche auch als wissenschaftliche Revolutionen bezeichnet werden, sind Hauptgegenstand von Kuhns Theorie. Anstatt dem Eindruck, dass wissenschaftlicher Fortschritt in einer kumulativen Anhäufung von Erkenntnis und Wissen besteht, ist wissenschaftliche Entwicklung immer wieder durch revolutionäre Umbrüche durchzogen. Grund der Annahme der evolutionären Wissenschaftsentwicklung ist die Tatsache, dass die meisten Wissenschaftler im Laufe ihres Wirkens innerhalb der normalen Wissenschaft arbeiten, bei dem diese Linearität im Erkenntnisgewinn besteht. Nach heutigem Stand hat die Physik eine solche Reife erlangt, dass sich seit langer Zeit keine großen Paradigmenwechsel vollzogen. Zur Lebzeit Kuhns war hingegen noch viel im Fluss. Zwei Jahre nach Erscheinen der SSR im Jahr 1964 führte die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung zum Paradigmenwechsel von der Steady-State-Theorie des Universums zur Urknalltheorie von Lemaître.20
Die letzte großartige Neuerung im Weltbild der Physiker war die Akzeptanz der Chaostheorie gegenüber der Laplace’schen Weltanschauung der deterministischen Vorhersagbarkeit, welche sich bis Mitte der Achtzigerjahre vollzog.21 Seit rund vierzig Jahren hat sich kein fundamentaler Paradigmenwechsel in der Physik ereignet. Welche enorme Wirkung wissenschaftliche Revolutionen auf die Wissenschaft und ihre Akteure hat, ist anhand der Aussage Kuhns festzustellen, der von einer schlagartigen Änderung des Weltbilds spricht.22 Eine eindrucksvolle Analogie stellen Vexierbilder dar, bei denen sich die Wahrnehmung des Bilds schlagartig ändert.
Beim Betrachten des Vexierbilds nimmt man zunächst entweder ein Kaninchen oder eine Ente wahr. Dies ist analog zu der Wahrnehmung der Forscher zu einem wissenschaftlichen Gegenstand. Während einige Forscher in Wärme einen Stoff sahen, nahmen andere wiederum die Wärme als Teilchenbewegung wahr. Beim Paradigmenwechsel springt das Bild des Kaninchens für die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft zur Ente um, wobei die geänderte Wahrnehmung zu einem neuen Konsens führt.
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
B2 Kaninchen-Ente-Illusion
Mit der Analogie wird verdeutlicht, dass sich weder das Bild noch die Natur ändert, sondern lediglich die Wahrnehmung des Beobachters. Paradigmenwechsel sind nicht als Änderungen der Welt, sondern als Änderungen der Erfahrungswelt zu deuten. Revolutionäre Phasen können sich innerhalb kürzester Zeit oder auch in längeren Zeiträumen ereignen. Der Zeitraum ist von dem soziologischen Prozess der Konsensfindung abhängig. Der Prozess ist dann abgeschlossen, wenn ein Großteil der wissenschaftlichen Gemeinschaft von der neuen Theorie überzeugt ist und die künftige Forschung durch das neue Paradigma angeleitet werden kann. Das historische Beispiel der Entstehung der Thermodynamik zeigt, wie lange sich Paradigmenwechsel hinziehen können. Ich werde an spätere Stelle noch mal genauer auf diesen hundertjährigen Wechsel und dessen Ursache zu sprechen kommen. Nachdem die normalwissenschaftliche Forschung in dem neuen Paradigma fortgeführt wird, ist ein Umlauf des Ablaufmodells abgeschlossen. Vergleicht man nach einem Paradigmenwechsel beide Paradigmen miteinander, so stellt man fest, dass die neue Theorie nicht mit der alten vergleichbar ist. Dieses Phänomen bezeichnete Kuhn mit dem Terminus Inkommensurabilität. Theorien auf Grundlage eines veralteten Paradigmas sind nicht mit den heutigen kongruent, sie sind unvergleichbar, also inkommensurabel. Damalige Wissenschaft ist auch nicht durch die heutigen Begriffe beschreibbar, da diese aufgrund von Inkommensurabilität ihre Bedeutung änderten. Stattdessen müssen damalige Theorien sogfältig rekonstruiert werden, um diese gänzlich auf ihre logische Struktur hin zu verstehen. Als Folge stellt sich heraus, dass die alten Theorien nicht weniger wissenschaftlich sind als die heutigen. Alte Theorien konnten viele Phänomene anschaulich erklären und einige Theorien haben sogar einen Paradigmenwechsel überlebt. Als historisches Beispiel haben sich in der Thermodynamik Lavoisiers Kalorimetrie und Fouriers Gleichungen zu Wärmeleitung bis heute bewährt, obwohl sie von dem alten Paradigma ausgehen.
Wissenschaftlicher Fortschritt
Nachdem anhand des Ablaufmodells erläutert wurde, wie sich wissenschaftliche Entwicklung ereignet, stellt sich die Frage, worin genau dieser Fortschritt besteht. Mit der zunehmenden Ausreifung des Fachgebiets werden im Zuge wissenschaftlicher Revolutionen, Paradigmen von leistungsfähigeren Paradigmen abgelöst.
Die Leistungsfähigkeit neuer Paradigmen besteht vor allem in der gesteigerten Problemlösekapazität, durch die mehr Phänomene beschrieben und bessere Voraussagen innerhalb des Fachgebiets getroffen werden können. Hoyningen-Huene erläuterte in seiner Vorlesung, dass er das Ablaufmodell nicht zweidimensional, sondern dreidimensional betrachtet.
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Wissenschaftsentwicklung: 3D (Eigene Darstellung)
Beschriftung Graphik
P: Paradigmen
N: normale Wissenschaft
R: wissenschaftliche Revolution /
Paradigmenwechsel
Wissenschaftsentwicklung: 3D (Eigene Darstellung)
Die dritte Dimension stellt der eben beschriebene wissenschaftliche Fortschritt dar, welcher sich durch die steigende Problemlösekapazität der Paradigmen äußert. Die Darstellung in einer Spirale verdeutlicht die fortschreitende Entwicklung und zeigt zudem, dass nach Revolutionen eine neue normalwissenschaftliche Phase beginnt. Ein Irrtum ist die Aussage, dass bei wissenschaftlicher Entwicklung eine Annäherung an die Wahrheit erfolgt. Gemäß überholten Ansätzen der Wissenschaftstheorie wurde diese These vertreten und versucht wissenschaftlichen Fortschritt durch die Wahrheitsnähe einzuführen.23 Jedoch kann diese These in Anbetracht der zahlreichen Paradigmenwechsel, die sich einer reifen Wissenschaft ereignen, verworfen werden. Kuhns Theorie trug zu einer pessimistischen Sicht auf wissenschaftliche Erkenntnis insofern bei, dass sie Erkenntnisse als paradigmengebunden und somit anfechtbar durch Revolutionen postuliert.
Rezeption und Konsequenzen der SSR
Kuhn veröffentlichte seine deskriptive Arbeit 1962 im Rahmen eines Projekts, das bestehende wissenschaftstheoretische Ansätze darstellen sollte. Mit seiner Theorie lieferte er Zündstoff zur Sprengung der vorherrschenden Grundannahmen. Zuvor nahmen Wissenschaftstheoretiker an, es gäbe eine Logik der Forschung, die allen Naturwissenschaften gemein ist und auf deren Grundlage Erkenntnisse gesichert werden.24 Wissenschaftliche Entwicklung wurde als evolutionärer Prozess betrachtet, bei dem eine einmalig gewonnene Erkenntnis als gesichert und unumstößlich gilt. Kuhn lieferte eine neue Sicht auf Wissenschaftshistorik, die aufzeigt, dass seit Anbeginn wissenschaftlicher Entwicklungen Theorien in einem soziologisch-dynamischen Prozess der Konsensfindung gegeneinander konkurrierten. Bei der Rekonstruktion vergangener Wissenschaft mittels hermeneutischer Methodik, erweisen sich alte Theorien als konsistent und genauso wissenschaftlich wie die neuen Theorien. Sein prototypisches Modell abstrahiert, was allen wissenschaftlichen Entwicklungen gemein ist: Fortschritt als Folge von revolutionären statt evolutionären Prozessen. Im Rahmen dieser revolutionären Umbrüche wurden viele Theorien zu Gunsten einer leistungsfähigeren Theorie verworfen. Dies hat Konsequenzen auf die Sicherheit des gewonnenen Wissens, zwar steigt im Zuge revolutionärer Prozesse die Problemlösefähigkeit, jedoch kann nicht gewährleistet werden, dass ein erneuter Paradigmenwechsel, zur Verwerfung des aktuell gültigen Paradigmas führt. Kuhns Werk zählt zu einem der hundert einflussreichsten Bücher des 20. Jahrhunderts und führte innerhalb der Wissenschaftstheorie selbst zu einem Paradigmenwechsel. Jedoch wurde die Theorie aufgrund einiger Punkte kritisiert. Ein großes Problem stellen Unklarheiten in Begriffsdefinitionen dar, was den Text schwammig erscheinen lässt. Ein Paradebeispiel stellt der Paradigmenbegriff dar, dem man 21 Deutungen zuordnen konnte. Die magische Anziehungskraft dieses Begriffs veranlasst viele Akademiker verschiedener Domänen zur inflationären Nutzung, obwohl dies ursprünglich nicht intendiert war. Aufgrund der Plastizität des Textes wurde dieser vor allem von Philosophen kritisiert. Kuhn leistete interdisziplinäre Arbeit und war kein reiner Philosoph, wodurch ihm die philosophische Schärfe fehlte.25
2.4 Sekundärliteratur
In den Achtzigerjahren war ein aufstrebender Philosoph aus Deutschland auf Kuhns Arbeit aufmerksam geworden. Paul Hoyningen-Huene traf sich regelmäßig mit Thomas Kuhn, um über dessen Theorie zu philosophieren. Im Rahmen ihrer Zusammenarbeit profitierte Kuhn von dem philosophischen Wissen seines Gesprächspartners, während der deutsche Philosoph zu einem hohen Verständnis der Theorie kam. Hoynigen-Huene verstand Kuhn wie kein anderer Autor der deutschsprachigen Literatur und machte sich mit zahlreichen Veröffentlichungen zu dem Themenfeld einen Namen. Zudem liefert er interessantes Hintergrundwissen, was über die reine Theorie hinaus geht. In dieser Arbeit zog ich den deutschen Autor als Sekundärquelle hinzu, da die deutsche Version der SSR teils gravierende Mängel enthält.26 Im Vergleich zu der übersetzten Version SSR trug vor allem die Sekundärliterstur zu meinem Verständnis der Theorie bei.
2.5 Methodik der Arbeit
Die hermeneutische Methodik steht im Zentrum dieser Literaturarbeit. Beim Lesen von älteren Texten aus dem 18. Jahrhundert hindern ethnozentrische und präsentistische Vorurteile vom Verständnis. Im Fall von wissenschaftlichen Arbeiten zur Wärmelehre aus dieser Zeit sprechen Forscher wie Rumford und Carnot in einer ganz anderen Sprache und legen eine andere Sicht auf Wärme zu Grunde als die heutige. Um die damaligen Theoretiker zu verstehen ist es von Relevanz die alte Theorie unbefangen von den heutigen Vorstellungen zu rekonstruieren. Dies gelingt durch die hermeneutische Lektüre von Arbeiten in dieser Zeit. Zur Aufarbeitung der Wissenschaftsgeschichte verschaffte ich mir zunächst ein Überblickswissen durch verschiede Bücher. Aus der Sichtung gingen die Hauptakteure wie Rumford, Carnot, Joule und Clausius und deren spezifische Rolle im Paradigmenwechsel hervor und ich versuchte durch die tiefergehende Analyse der Originalschriften der Physiker ethnozentrische und präsentistische Vorurteile zu überwinden. Die Leistung der Arbeit besteht in der Aufarbeitung und Vernetzung von historischem, philosophischem, fachlichem und didaktischem Wissen. Ziel der Arbeit ist neue Erkenntnisse im Rahmen der interdisziplinären Tätigkeit zu generieren.
3. Hauptteil: Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen in Bezug auf die Entwicklung der Thermodynamik
3.1 Vorgeschichte
Im Folgenden fokussiere ich auf den Paradigmenwechsel von der kalorischen Theorie auf die kinetische Theorie der Wärme. Verfolgt man die Entwicklung der Thermodynamik auf ihre Ursprünge zurück, so stößt man auf die Tatsache, dass die Vorstellung von Wärme im Wesentlichen von der Vorstellung über die Struktur der Materie abhängt. Bereits vor über zweitausend Jahren existierten zwei Schulen, die verschiedene Ansichten über die Struktur der Materie vertaten. Während Leukipp und Demokrit im 4.-5.Jahrhundert vor Christus das erste Atommodell entwickelten27 und somit die atomare Struktur der Materie annahmen, glaubte der Naturphilosoph Aristoteles an den kontinuierlichen Aufbau der Materie. Dieser ging davon aus, dass vier Elemente existieren, aus denen sich alle Stoffe im Universum zusammensetzen, das Feuer sollte eines davon sein. Seine Theorie, die Wärme als etwas stoffliches charakterisiert, kann als Ursprung der stofflichen Wärmetheorien betrachtet werden. Auf Grundlage des von Leukipp und Demokrit begründeten Atomismus ging im 18. Jahrhundert von Daniel Bernoulli aus seiner Schrift „Hydrodynamica“ erstmalig die Vorstellung hervor, dass Wärme und Druck auf die Bewegung der kleinsten Teilchen zurückzuführen sind.28 Dieses Konzept kann als Vorläufer der kinetischen Theorie der Wärme betrachtet werden. Zur selben Zeit hatte sich die Phlogistontheorie in der Chemie durchgesetzt und sie trug dazu bei einige Wärmephänomene zu erklären. Die Phlogistonlehre wurde Ende des 18. Jahrhunderts von Lavoisiers kalorischer Theorie abgelöst. Lavoisier entdeckte den Sauerstoff und konnte die Verbrennung als Reaktion mit dem neu entdeckten Element erklären. Wie Kuhn selbst in seiner SSR schilderte, war wissenschaftliche Gemeinschaft schnell von Lavoisiers vielversprechender Theorie überzeugt, wodurch es zu einem Paradigmenwechsel kam.29
3.1 Ausgangspunkt: Antonie Lavoisier und die kalorische Theorie der Wärme
Zunächst einmal stellt sich die Frage, wie die historische Entwicklung der Thermodynamik in Kuhns Ablaufmodell einzuordnen ist. Die historische Ausgangssituation könnte zunächst auf zwei verschiedene Weisen gedeutet werden.
1. Die Koexistenz beider Theorien in der vorparadigmatischen Phase einer unreifen Wissenschaft.
2. Die kalorische Theorie als Paradigma
Entweder befindet sich die Wärmelehre mit der kalorischen Theorie in der vorparadigmatischen Phase im Wettstreit mit der Vis viva-Theorie oder sie gilt als paradigmatisch. Kuhn beantwortet diese Frage in seinem Essay SSR mit dem Hinweis auf ersteren Fall.30
Somit befand sich aus Sicht Kuhns die Wärmetheorie bereits auf dem Stand einer paradigmatischen Grundlagenforschung. Besteht ein breiter Konsens über eine theoretische Ansicht innerhalb der Wissenschaftsgemeinschaft, so kann diese Theorie als Paradigma betrachtet werden. Dies war bei der kalorischen Theorie gegeben. Das Paradigma überzeugte viele Wissenschaftler und leitete die normalwissenschaftliche Tätigkeit an, in dessen Ausübung zahlreiche Phänomene erklärt werden konnten. Beispielsweise bewährte sich das Gesetz der Wärmekonduktion nach Jean Baptiste Joseph Fourier auf Grundlandlage des Stoffparadigmas bis heute. Es spielt bei dem Phänomen der Wärmeleitung keine Rolle aus welcher Sichtweise es betrachtet wird.
Zudem konnte Laplace in seiner normalwissenschaftlichen Tätigkeit die Schallgeschwindigkeit verschiedener Gase bestimmen. 31
Rekonstruktion des Alten Paradigmas
Die kalorische Theorie postulierte einen Wärmestoff „Calorique“, welcher als imponderable (unwägbare), farb- und geruchlose Substanz beschrieben wird, die Körpergrenzen durchdringen kann und sich in den Poren eines Körpers absetzt.32 Zudem gilt für den Wärmestoff ein Erhaltungsprinzip, nachdem Wärme nicht vermehrt oder zerstört werden könne, sondern nur bei einer Freisetzung durch Reibung oder Chemische Reaktionen von einem Körper in den anderen übergehen kann. Durch Annahme des Wärmestoffes konnten viele Wärmephänomene anschaulich und schlüssig erklärt werden. Nach Kuhn ist dies das Kennzeichen einer guten Theorie. An Paradigmen ist nicht die Anforderung gestellt, dass diese jedes Phänomen des Forschungsbereichs erklären können, sie müssen sich lediglich im Vergleich zu den konkurrierenden Theorien als vielversprechender herausstellen.
Das Paradigma konnte folgende Wärmephänomene gut erklären33:
1. Thermische Ausdehnung
Das Phänomen der thermischen Ausdehnung bei Erwärmung eines Körpers kann wie folgt erklärt werden. Bei der Erwärmung eines Körpers fließt der Wärmestoff in die feinsten Poren der Materie, was zu einer Volumenzuname des Körpers führt.
2. Wärmeleitung
Die Wärmeleitung entspricht dem Transport des Wärmestoffs im Inneren des Körpers.
3. Thermisches Gleichgewicht
Eine zentrale Grundannahme ist, dass die Größe Temperatur ein Maß für die Konzentration des Wärmestoffs sei. Da der Stoff zudem abstoßende Kräfte besitzen soll, sind Systeme immer dazu bestrebt eine gleichmäßige Konzentration des Stoffs und somit ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen. Die abstoßenden Kräfte des Wärmestoffs sind also die Ursache für den Wärmefluss und das Streben eines Systems nach dem thermischen Gleichgewicht, bei dem der Wärmestoff homogen im System verteilt ist.
4. Mischungsversuche
Auch Mischungsversuche konnten durch die Annahme des Wärmestoffs erklärt werden. Beim Mischen verschiedener bzw. gleicher Stoffe unterschiedlicher Temperatur wird im Laufe der Zeit eine Gleichgewichtstemperatur erreicht. Entgegen der Intuition entspricht die Gleichgewichtstemperatur beim Mischen gleicher Massen nicht unbedingt dem arithmetischen Mittel der beiden Ausgangstemperaturen. Dieses Phänomen zeigt die Abhängigkeit der in einem Körper gespeicherte Wärmemenge vom Stoff. Das Phänomen ist gemäß der kalorischen Theorie darin begründet, dass verschiedene Stoffe unterschiedliche Wärmekapizitäten besitzen. Abhängig vom Stoff besitzen diese mehr oder weniger Poren, welche den Wärmestoff aufnehmen können. Stoffe mit einer höheren spezifischen Wärmekapazität wie z.B. Wasser können also mehr Calorique aufnehmen als Stoffe mit einer niedrigeren spezifischen Wärmekapizität wie beispielsweise Metalle. Beim Mischen kommt es somit zu verschiedenen Gleichgewichtstemperaturen. Die Vorstellung von Wärme als Stoff prägte den Sprachgebrauch und den Begriff Wärmekapazität bis heute.
Normale Wissenschaft im kalorischen Paradigma
Den von Lavoisier angenommen Wärmestoff wollte er durch die nebenstehende Versuchsanordnung messen. Durch Versuche mit dem Eiskalorimeter sollte die Wärmemenge über das Schmelzen von Eis gemessen werden. Bei einer großen Wärmemenge wird mehr Eis zum Schmelzen gebracht als bei einer geringeren. Kuhn beschrieb, wie Paradigmen die Normalwissenschaft anleiten. Auf Grundlage des Paradigmas leiten forscher ihre Theorien ab und untersuchen sie experimentell. Der Bau einer Maschine, die den Wärmestoff messen soll, ist ein Beispiel dafür, wie Paradigmen Theorien und Experimente prägen. Normalwissenschaft beschäftigt sich mit drei Klassen von Problemen – Bestimmung bedeutsamer Tatsachen, gegenseitige Anpassung von Fakten und Theorie und Artikulation der Theorie34
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
B4 Eiskalorimeter
Bei der normalwissenschaftlichen Forschung im kalorischen Paradigma wurde sich mit letztgenanntem Problem befasst. Die Experimente mit dem Kalorimeter dienten einer offenen Erkundung und waren auf qualitative Untersuchungen ausgelegt.35 Erforschte Phänomene waren Erwärmung und Abkühlung durch Mischen und Zustandsänderungen36.
Allerdings fokussiert Normalwissenschaft immer nur auf einen Teil der Phänomene eines Fachgebiets. Bei Grundlagenforschung wird sich immer die Frage gestellt, welches Phänomen nun wirklich zentral für die Entwicklung der Theorie ist. Im Fall der kalorischen Theorie konnten viel Phänomene erforscht und beschrieben werden, während eines immer außenvor blieb
- Das Phänomen der Reibungswärme -
3.2 Graf Rumford und die Anomalien der Wärmestofftheorie
Reichsgraf von Rumford wurde unter dem bürgerlichem Namen Benjamin Thompson im Jahr 1753 in Amerika geboren. Thomson führte ein bewegtes Leben, er arbeitete als Offizier, Politiker und Wissenschaftler. In den neunziger Jahren des 18. Jahrhunderts beaufsichtigte er die Herstellung von Kanonen in Bayern. Der von Pferden angetriebene Bohrer rotierte in dem Kanonenrohr, wobei große Mengen an Wärme frei wurde. Thomson wurde auf dieses Phänomen aufmerksam und begann es experimentell zu untersuchen.37
Um die erzeugte Wärme zu messen, rotiert der stumpfe Bohrer in einem Wasserbad. Die Wärmemenge wurde durch die Temperaturänderung des Wassers gemessen.38 Seine Ergebnisse veröffentlichte er im Jahr 1798 in der Schrift „Heat is a Form of Motion: An Experiment in Boring Cannon“
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
B5 Rumfords Bohrversuch
Darin schrieb er:
„Wir haben gesehen, daß eine bedeutende Wärmemenge durch Reibung zweier metallischer Flächen hervorgebracht und nach allen Richtungen in fortdauerndem Strom, ohne Unterbrechung oder Pause und ohne jegliches Zeichen von Abnahme oder Erschöpfung abgegeben werden kann. Bei unseren Schlussfolgerungen über diesen Gegenstand dürfen wir den sehr bedeutenden Umstand nicht vergessen, dass die Quelle, der bei diesen Versuchen durch Reibung erzeugten Wärme, offenbar unerschöpflich ist. Es ist kaum nötig hinzuzufügen, daß etwas, das von einem isolierten Körper oder Körpersystem endlos hervorgebracht werden kann, unmöglich eine materielle Substanz sein kann, und ich finde es schwer, wenn nicht ganz unmöglich, mir eine bestimmte Vorstellung von dem zu machen, was in diesen Versuchen erzeugt und mitgeteilt wird, wenn ich es nicht für eine Bewegung halten soll."39
Rumford sieht in der Erzeugung von Reibungswärme einen Widerspruch zur Wärmestofftheorie. Er folgert aus der Beobachtung, das Wärme aus Reibung ad Infimum erzeugt werden kann, dass es sich bei Wärme unmöglich um etwas Substanzartiges handeln kann. Denn die Vorstellung von Wärme als Stoff ist unweigerlich mit der Konsequenz verbunden, dass diese Ressource irgendwann zu Neige gehen müsste. Die Ursache in der Erzeugung der Wärme sieht Rumford hingegen in der Bewegung. Genauer gesagt betrachtet er Wärme als Form einer Bewegung. Damit legt er den Fokus auf eines der zentralsten Phänomene der Thermodynamik, die enge Beziehung zwischen mechanischer Arbeit und Wärme. Durch Rumfords Arbeit tritt eine Anomalie zu Tage, die den Kern des bestehenden Paradigmas dermaßen schwer angreift, sodass das Paradigma in eine Krise gerät. Die Uneinigkeit der Wissenschaftsgemeinschaft über die Natur der Wärme wurde fortlaufend größer.
Dazu Laplace und Lavoisier:
„Die Physiker sind sich über das Wesen der Wärme nicht einig. Einige betrachten sie als ein in der ganzen Natur auftretendes Fluidum, das alle Körper mehr oder weniger stark durchdringt. Andere Physiker glauben, daß die Wärme nur das Ergebnis unmerklicher Bewegung der Moleküle der Materie darstellt. Man weiß, daß die Körper, auch sehr dichte, mit einer groben Zahl von Poren durchsetzt sind, deren Volumen dasjenige der Materie, welche sie umschließt, beträchtlich übersteigen kann. Diese leeren Zwischenräume erlauben nun den nicht feststellbaren Teilchen, die sich in dauernder Bewegung befinden, frei nach allen Richtungen zu schwingen, und es ist nur natürlich sich vorzustellen, daß diese Teilchen sich in dauernder Bewegung befinden, welche, sofern sie bis zu einem gewissen Punkte zunimmt, die Körper zersetzen und sie zerfallen lassen. Diese innere Bewegung stellt nach Ansicht der Physiker, von denen wir jetzt sprechen, die Wärme dar. Wir wollen damit keine Entscheidung zugunsten einer der beiden vorhandenen Thesen treffen. Einige Phänomene scheinen eher für die letztere zu sprechen, so z.B. das Entstehen von Wärme durch die Reibung zweier fester Körper. Es gibt jedoch auch andere Tatsachen, welche sich durch die erstere viel einfacher erklären lassen. Vielleicht haben auch beide gleichzeitig Geltung.“40
Trotz Zweifel an dem bestehenden Paradigma wurde weiterhin normalwissenschaftlicher Tätigkeit nachgegangen. So legte Sadi Carnot ein viertel Jahrhundert nach auftauchen der Anomalie im Jahr 1824 das Wärmestoffparadigma als Grundlage seiner Forschung. Obwohl zur Zeit von Carnot Uneinigkeit über die Theorie herrschte und er einer gespaltenen Wissenschaftsgemeinschaft zuteilwurde, entschied er sich, die Wärme aus Sicht des umstrittenen Paradigmas zu betrachten. Selbst wenn Zweifel an der Theorie besteht, ist eine unscharfe Landkarte immer noch besser als keine41. Um weiter Forschung betreiben zu können stehen die Forscher vor einer Wahl der Theorie. Ohne theoretische Grundlage kann nicht geforscht werden. Carnot kann keine Betrachtungen über die Bewegende Kraft des Feuers schreiben, wenn der keine Anschauung über Wärme besitzt. Diese „Priorität eines Paradigmas“ beschreibt Kuhn im gleichnamigen Kapitel.
3.3 Sadi Carnot und die bewegende Kraft der Wärme
Nicolas Leonard Sadi Carnot wurde 1796 in Paris als Sohn des Wissenschaftlers und Politikers Lazare Carnot geboren. Wie sein Vater hatte der junge Carnot ein großes Interesse an der Naturwissenschaft und Technik und studierte bereits im Alter von 16 Jahren an der Ecole polytechnique Ingenieurswissenschaften.42 Anfang des 19. Jahrhunderts sorgte eine bahnbrechende technische Errungenschaft zu einem starken kulturellen Wandel. Die Dampfmaschine und ihre technische Ausreifung stehen zu jener Zeit im Fokus der Ingenieurwissenschaft, was auch Carnot dazu bewog sich mit der bedeutungsvollen Maschine auseinanderzusetzen. Während die Technik immer weitere Fortschritte hinsichtlich der Effizienz und des Handlings erzielen konnte, hinkte die Theorie hinterher. Carnot beklagt den Missstand, dass es noch keine Theorie zur Funktionsweise einer Dampfmaschine gab und er betont, dass diese nur durch theoretische Bemühungen zur vollständigen Reife gelangen kann.43 Carnot und sein Vater studierten in gemeinsamer Arbeit die Dampfmaschine und fassten dabei das Ziel ins Auge, die Maschine von einem abstrakteren und theoretischen Standpunkt aus zu erforschen. Dabei stellte sich Carnot allgemeine Fragen:
Ist die Effizienz einer Wärmekraftmaschine von dem Arbeitsgas, mit dem sie betrieben wird, abhängig?44
Ist die Menge an bewegender Kraft begrenzt?45
Seine Ergebnisse stellt Carnot in seinem Hauptwerk „Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers“ dar. Dies erfolgt hauptsächlich in schriftlicher Form und mit geringem Grad an Mathematisierung. Erst Clapeyron griff die Arbeit erneut auf und verlieh Carnots Theorie durch die Mathematisierung mehr Anschaulichkeit. Carnots theoretische Bemühungen werden im Verlauf des Textes anhand seiner abstrakten Herangehensweise deutlich. Typisch für die theoretische Physik denkt er in Analogien und Gedankenexperimenten. Dabei bleibt auch die Anschaulichkeit seiner Thesen nicht auf der Strecke. Das Nachvollziehen von Carnots Gedankengängen ist nach Überwindung des heutigen Verständnisses der Thermodynamik ohne Probleme möglich. Er erklärt verständlich, schafft trotz des hohen Abstraktionsniveaus seine Thesen bildhaft zu beschreiben. Seine Sicht auf Wärme wird besonders an seiner hydraulischen Analogie klar. Als Französische Schule46 bezeichnet Jaeger den Hang der französischen Forscher an der kalorischen Theorie ihres Landsmanns Lavoisier. An dieser Stelle werden die soziokulturellen Einflüsse deutlich, die auch Carnot auf das kalorische Paradigma prägten. Die Vermutung, dass Wärme eine Teilchenbewegung ist, wurde von einigen Deutschen, Briten und dem Amerikaner Rumford vertreten47.
Grundannahmen des Paradigmas und Erkenntnisse
Im Folgenden werden Carnots Betrachtungen zur Funktionsweise einer Wärmekraftmaschine erläutert. Dazu habe ich wichtige Stellen aus seiner Arbeit zitiert.
Annahme der Erhaltung des Wärmestoffs
„Die Erzeugung von bewegender Kraft ist daher bei den Dampfmaschinen nicht wirklich auf einen wirklichen Verbrauch des Wärmestoffs zurückzuführen, sondern auf einen Übergang von einem heissen Körper zu einem kalten, d.h. auf die Herstellung seines Gleichgewichts, welches durch eine chemische Wirkung, wie die Verbrennung, oder irgendeine andere gestört worden war.“48
Carnot beschreibt im Bild des kalorischen Paradigmas, wie Wärmestoff bei der Verbrennung freigesetzt wird und dieser von einem heißeren Körper auf einen kälteren übergeht.
Er benennt das Prinzip der Erhaltung des Wärmestoffs, welches besagt, dass der Wärmestoff nicht verloren geht, sondern lediglich von einem Körper höher Temperatur auf einen Körper niedriger Temperatur übergeht. Eine Folge dieses Wärmeflusses ist bei Wärmekraftmaschinen die Hervorbringung mechanischer Arbeit.
Temperaturunterschied als Potentialunterschied
Gemäß dem kalorischen Paradigma wird die Größe Temperatur als Maß für die Konzentration des Wärmestoffs betrachtet. Bei einem Temperaturunterschied ist das Gleichgewicht des Wärmestoffs gestört. Die Natur ist nun um einen Ausgleich bestrebt, wobei der Wärmestoff von Stellen höherer Konzentration zu stellen niedrigere Konzentration fließt. Dabei stellt sich ein thermisches Gleichgewicht ein.
„Überall wo ein Temperaturunterschied besteht, und wo daher die Widerherstellung des Gleichgewichts des Wärmestoffs eintreten kann, kann auch die Erzeugung bewegender Kraft stattfinden. Nach diesem Prinzip genügt es zur Gewinnung bewegender Kraft nicht, Wärme hervorzubringen: man muss sich auch Kälte verschaffen; ohne sie wäre die Wärme unnütz.“49
Mit dieser Aussage betont Carnot, dass mechanischer Arbeit nicht durch Wärme allein verrichtet wird. Der Temperaturunterschied stellt die treibende Kraft des Wärmestoffs dar, bei dessen Fluss mechanische Arbeit verrichtet werden kann. Umso größer der Temperaturunterschied ist, desto mehr mechanische Arbeit kann erzeugt werden. Seine Ansichten verdeutlicht Carnot in folgender Analogie.
Carnots hydraulische Analogie
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
B7 Carnots hydraulische Analogie
In seiner Arbeit vergleicht Carnot die Funktionsweise einer Wärmekraftmaschine mit dem Fall des Wassers in einer Analogie. In meiner Betrachtung zur Entwicklung der Thermodynamik, spielt diese eine zentrale Rolle, da anhand dieser Analogie Carnots Denken klar wird. Der Fall der Wärme oder aus heutiger Sicht die Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit erfolgt bei allen Wärmekraftmaschinen gemäß dieser Analogie. Wie bereits beschrieben wird laut Carnot bei Wärmequellen, wie die Feuerung einer Dampfmaschine, das Gleichgewicht des Wärmestoffes gestört. Die Natur ist nun um einen Ausgleich bestrebt, der zu Wiederherstellung des Gleichgewichts des Wärmestoffs führen soll. Dabei fließt der Wärmestoff von Stellen höherer Temperatur zu Stellen niedrigerer Temperatur. Der Fluss der Wärme wird nun durch die Analogie mit dem Fall des Wassers verglichen. Für das Wasser gilt analog zur Wärme das Erhaltungsprinzip. Weder Wärme noch Wasser gehen verloren! Es gilt: Aufgenommene Wärme gleich abgegebene Wärme / Heat in = Heat out.
Beim Fluss überwindet das Wasser eine Höhendifferenz und verrichtet dabei mechanische Arbeit. Analog dazu überwindet der Wärmestoff eine Temperaturdifferenz, wodurch mechanische Arbeit verrichtet wird. Der Höhenunterschied stellt die treibende Kraft des Wassers dar, während analog dazu der Temperaturunterschied die treibende Kraft der Wärme darstellt.
Die Potentialdifferenzen, Fallhöhe des Wassers und Temperaturunterschied einer Wärmekraftmaschine, beeinflussen die Stärke des jeweiligen Flusses und somit die Hervorbringung mechanischer Arbeit als „Side effect“. Gemäß dieser Sichtweise hängt die Erzeugung mechanischer Arbeit proportional mit dem Wärmefluss zusammen, jedoch werden die Größen nicht als wesensgleich betrachtet.
Carnots hydraulische Analogie zur Funktionsweise einer Wärmekraftmaschine aus heutiger Sicht
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Zum Vergleich habe ich die Analogie aus Sicht des heutigen energetischen Paradigmas illustriert. Es ergaben sich im direkten Vergleich große Diskrepanzen, sodass ich die Analogie modifizieren musste und es nicht mehr dasselbe darstellt, was in der ursprünglichen Analogie verdeutlicht werden sollte. Genauer gesagt fließt in Carnots Analogie die substanzartige Wärme durch das Rohr, während ich mit meiner angepassten Analogie den Energiefluss beschreibe. Genau diese Unvergleichbarkeit zweier Paradigmen wird in den Bemühungen deutlich, die Analogie an die heutige Sichtweise anzupassen und ist unter dem Aspekt der Inkommensurabilität zu fassen.
Zunächst stellt sich die Frage, welche physikalische Größe in dem Rohr fließt. Der Fluss des Wassers im Rohr kann ein Erhaltungsprinzip veranschaulichen. Heute sind die Klassifizierung der Wärme als Form von Energie und die Energieerhaltung die gültigen Prinzipien. Somit kann die Analogie den Energiefluss einer Wärmekraftmaschine verbildlichen. Da jedoch eine Umwandlung eines Anteils der Wärme in mechanische Arbeit erfolgt, habe ich in meiner Veranschaulichung ein weiteres Rohr hinzugefügt. Die Energie bleibt analog zur Wassermenge erhalten, wobei ein geringerer Anteil an Energie in Form von Abwärme (Q2) zum kalten Reservoir zurückfließt. Die energetische Differenz zwischen aufgenommener und abgegebener Wärmemenge fließt in Form von mechanischer Arbeit (W) ab.
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Mit der Visualisierung und Gegenüberstellung beider Analogien wird deutlich, dass beide Paradigmen verschiedene Grundannahmen über das Konzept Wärme treffen und, dass beide Anschauungen in kleinster Weise vergleichbar sind. Es besteht die von Kuhn beschriebene Inkommensurabilität. Obwohl Carnots Theorie über den Wärmefluss, aufgrund des Paradigmenwechsels nicht mehr zeitgemäß ist, kann sie dennoch als wissenschaftlich bezeichnet werden. Carnots Argumentation ist verständlich und weist eine, in sich schlüssige, logische Struktur auf.
Eine weitere zentrale Auffälligkeit an älteren Texten ist die Begriffsverschiebung, die sich bei Carnot zeigt. Mit dem Begriff „bewegende Kraft“ ist nach heutiger Physik „mechanische Arbeit gemeint.
Der Carnot Prozess
Carnots Gedankenexperiment idealisiert die Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit. Er stellt sich einen frei beweglichen Kolben vor, der in einem Zylinder Luft einschließt.(B8) Abwechselnd wird nun der Zylinder mit einem heißen und einem kalten Körper in Kontakt gebracht. Dies führt zur periodischen Bewegung des Kolbens, der dabei mechanische Arbeit verrichtet.
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
B8 Carnot-Maschine
Seine Idealisierung ist folgendem Zitat zu entnehmen:
„Die nothwendige Bedingung das Maximums ist daher, dass an den zur Gewinnung von bewegender Kraft aus Wärme benutzt Körpern keine Temperaturänderung stattfindet, welche nicht durch eine Volumenänderung bedingt ist. Umgekehrt wird stets, wenn diese Bedingung erfüllt ist, das Maximum erreicht sein.“50
Die von Carnot beschriebene Maximalbedingung kommt dem ersten Hauptsatz sehr nahe. Nach der heutigen Sichtweise kann eine aufgenommene Wärmemenge zu einer Temperaturänderung oder zur Verrichtung von Volumenarbeit an einem Arbeitsgas führen. Die Idealbedingung fordert, dass die gesamte aufgenommene Wärmemenge zunächst vollständig in Volumenarbeit umgewandelt wird. Wir sprechen im ersten Arbeitsschritt von einer isothermen Expansion. Da die Maschine vor der isothermen Kompression mit einem kälteren Körper in Kontakt gebracht wird, muss für die Kompression bei niedriger Temperatur weniger mechanische Arbeit aufgewendet werden, als bei der isothermen Kompression abgegeben wurde. Es ergibt sich eine positive Bilanz, wodurch die Maschine mechanische Arbeit verrichtet. Dadurch wandelt die periodisch arbeitende Maschine die theoretisch maximale Wärmemenge in mechanische Arbeit um. Carnot erkannte anhand dem nach ihm benannten Prozess, dass die Effizienz von Wärmekraftmaschinen von dem Temperaturunterschied beeinflusst wird. Zudem wies er nach, dass die abgegebene mechanische Arbeit proportional zu dem Temperaturunterschied ist. Seine Prinzipien, Wärmeleitung innerhalb der Wärmekraftmaschinen zu unterbinden und durch Kühlung für eine Größere Temperaturdifferenz zu sorgen, wurden von den Ingenieuren zur Verbesserung der Effizienz angewandt.
Carnots beschriebener Prozess wurde von Rudolph Clausius und William Thomson auf das heutige Paradigma der Wärme reformiert. Der maximale Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine hängt lediglich von dem Verhältnis der Temperaturen der beiden Reservoirs ab. Aus dem Carnot-Prozess folgt der maximale Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen: Der Carnot-Wirkungsgrad
Es ist bemerkenswert, dass dieser Faktor als Relikt des alten Paradigmas erhalten blieb.
Am Carnotprozess wird klar, wie das Energieumwandlungen aus Sicht der phänomenologischen Thermodynamik durch Betrachtung makroskopischer Zustandsgrößen erklärt werden können. Dies inspirierte Clausius zur Verfassung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik. Eine tiefergehende Betrachtung folgt im Kapitel über Clausius. Was Carnot in Bezug auf die SSR und die Entwicklung der Thermodynamik so interessant macht, ist die Tatsache, dass er trotz Verwendung des stofflichen Paradigmas in der Lage war wesentliche Kernpunkte des zweiten Hauptsatzes vorwegzunehmen. Carnot wusste um die natürliche Wärmeflussrichtung von hoher Temperatur auf niedrigere Temperatur Bescheid. Zum Ende seiner knapp bemessenen Lebenszeit war Carnot auf dem besten Weg die energetische Natur der Wärme zu entdecken. In seinem Nachlass gibt er zudem als erster Wissenschaftler eine Schätzung des mechanischen Wärmeäquivalents an.51 Carnot lieferte durch seine abstrakten Gedankenexperimente und sein physikalisches Denken den Ausgangspunkt der Entwicklung der Thermodynamik und inspirierte weitere brillante Wissenschaftler wie Clausius und Thomson, welche bei der Vervollständigung des neuen Paradigmas von seinen Arbeiten profitierten. Der Wissenschaftler, an dem sich ein Großteil des Paradigmenwechsels vollzog, ging als Vater der Thermodynamik in die Geschichte ein.
3.4 James Prescott Joule und das mechanische Wärmeäquivalent
Nachdem Rumford bereits Ende des 18. Jahrhunderts den engen Zusammenhang zwischen mechanischer Arbeit und Wärme postulierte, war Carnot noch von dem materiellen Paradigma der Wärme befangen. In den Vierzigerjahren des 19. Jahrhunderts untersuchten mehrere Theoretiker die enge Beziehung zwischen mechanischer Arbeit und Wärme, welche sich im Phänomen der Reibungswärme offenbart. Kuhns Theorie geht auf diese Abhängigkeit der Theorie von dem jeweiligen Phänomen ein. Demnach halten verschiedene Gruppen, innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft, unterschiedliche Phänomene für relevant für die Grundlagenforschung. Im Jahr 1845 beschrieb Julius Robert Meyer, dass Wärme äquivalent zur mechanischen Arbeit sei und gab als erster Forscher einen Äquivalenzwert an. Zudem seien Wärme und mechanische Arbeit verschiedene Formen einer Erhaltungsgröße, womit er als erster den Energieerhaltungssatz formulierte. Der Überzeugungsversuch des Nichtphysikers Meyer blieb zunächst erfolglos. Als Mediziner, der nicht Teil der wissenschaftlichen Gemeinschaft war und dessen Thesen teilweise als unwissenschaftlich zurückgewiesen wurden, fehlte ihm die Anerkennung seiner Leistung.
James Prescott Joule wurde im Jahr 1818 in Salford, Großbritannien als Sohn einer Brauerfamilie geboren. In seiner Jugend wurde Joule von dem großen John Dalton privat unterrichtet, wodurch seine naturwissenschaftliche Begabung gefördert wurde.52 Obwohl er dem Brauereibetrieb treu blieb und niemals Physik studierte, forschte er nebenher an wichtigen wissenschaftlichen Fragen autodidaktisch in Eigenregie.53 So nahm er sich auch der wichtigen Frage über den Zusammenhang zwischen Arbeit und Wärme an. Im Keller seiner Brauerei baute er eine Versuchsanordnung, dessen Ziel es war, mechanische Arbeit in Wärme umzuwandeln und den Äquivalenzwert dieser Umwandlung zu bestimmen.
Joules kanonisches Experiment
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
B10 Joules Schaufelrad
Die obere Skizze zeigt Joules Schaufelrad, welches drehbar in einem mit Wasser gefüllten Topf gelagert ist. Im Zusammenspiel mit den Wänden des Topfes, soll das Schaufelrad das Wasser maximal verwirbeln. Durch diesen Versuchsaufbau sollte gewährleistet werden, dass bei der Drehung des Schaufelrads nahezu die ganze mechanische Arbeit in Wärme umgewandelt wird. Die nötige mechanische Arbeit zur Erzeugung von Reibungswärme kommt von Gewichten, deren Fall im Gravitationsfeld für den Antrieb des Schaufelrads sorgen. Da zu dieser Zeit die klassische Mechanik voll entwickelt war konnte die mechanische Arbeit in Newtonmeter berechnet werden. Dem gegenüber stand die Erwärmung des Wassers, welche durch die Einheit Kalorie (cal) gemessen wurde. Eine Kalorie entspricht der Wärmemenge die nötig ist um ein Gramm Wasser um eine Temperaturdifferenz von einem Grad Celsius zu erwärmen. Unter der Annahme, dass die gesamte mechanische Arbeit in Wärme umgewandelt wird, entspricht der Äquivalenzwert einer Kilokalorie Wärmemenge, genau der mechanischen Arbeit, die zugeführt werden muss, damit sich ein Liter Wasser um eine Temperaturdifferenz von einem Grad erwärmt. Joule bestimmte diesen Wert auf 4186 Nm. Zur Bestimmung dieses Werts maß Joule die Temperaturdifferenz einer bestimmten Wassermenge nach Zufuhr einer bekannten Quantität von Arbeit. Die genaue Messung des mechanischen Wärmeäquivalents erfordert somit eine präzise Temperaturmessung. Joule besaß die besten verfügbaren Thermometer und war geschickt im Ablesen der Temperaturen.54 Neben der Messungenauigkeit, verfälscht der Wärmeaustausch mit der Umgebung die Messung systematisch. Es bedarf eine konstante Umgebungstemperatur, die im Keller der Brauerei gegeben war. Zudem war der Versuchsaufbau durch eine Holzwand von dem Experimentator abgeschirmt, um somit eine Erwärmung durch Körperwärme zu verhindern.55 Erstaunlicherweise weicht Joules Messwert kaum von dem heutigen gängigen Wert des mechanischen Wärmeäquivalents ab.56 Seine Ergebnisse veröffentlichte Joule im Jahr 1850 in seiner Arbeit “On the Mechanical Equivalent of Heat”. Seine Ergebnisse waren so einschlägig und präzise, dass ihm die Priorität der Entdeckung des Wärmeäquivalents zugeschrieben wird. Die hohe Anerkennung seiner Arbeit ist daran zu sehen, dass schon zu seiner Lebenszeit die Einheit der Energie nach ihm benannt wurde.
Aus Sicht der Wissenschaftstheorie ist Joules Biografie bemerkenswert. Wie konnte ein Bierbrauer der nie Physik studierte einen solch großen Beitrag für den Paradigmenwechsel leisten? Als Außenseiter hatte Joule wohl einen freien Blick auf das Phänomen, und wurde im Gegensatz zu den studierten Physikern nicht durch das bestehende kalorische Paradigma geprägt. Dass große Neuerungen in den Wissenschaften durch solche Außenseiter angestoßen werden, ist ein häufiges Phänomen, welches Kuhn im Studium vieler historischer Entwicklungen erkannte.
Bei der Betrachtung von Joules Arbeiten, kann verdeutlicht werden, wie sich wissenschaftlicher Erkenntnisgewinn vollzieht. Die experimentelle Methode bildet das Herzstück der Wissenschaft, allerdings sind Experimente keine Antwortmaschinen. Bei Versuchen besteht immer die Notwendigkeit die gewonnen Ergebnisse durch ein zugrundeliegendes Konzept zu interpretieren. Erkenntnisgewinn bedeutet somit ein Wechselspiel zwischen Versuch und Theorie.
Im Fall von Joule zeigt sich das mechanische Wärmeäquivalent in Versuchen zunächst nicht so offenkundig, wie man zunächst annehmen mag. Auch Rumford hat experimentelle Daten zum Zusammenhang zwischen mechanischer Arbeit und Wärme erhoben, aber in den Daten keine Gesetzmäßigkeit erkannt.57 Joule muss fest an das mechanische Wärmeäquivalent geglaubt haben, bevor es sich experimentell bestätigte. Aus diesem Blickwinkel zeigt sich wie wichtig Hartnäckigkeit, Vorstellungskraft und Überzeugungen für den Erkenntnisgewinn sind.
Peter Heering über den scheinbaren Widerspruch zwischen Joule und Carnot:
„Auch in der Rezeption der Arbeiten Joules spielen konzeptionelle Gründe eine gewichtige Rolle: Einer der ersten Wissenschaftler, der sich intensiv mit Joules Arbeit beschäftigte war William Thomson (der später zum Lord Kelvin gemacht wurde). Thomson hatte, kurz bevor er von Joules Arbeit erfuhr, die Arbeit zum theoretischen Wirkungsgrad von Carnot kennengelernt. Nach dessen Arbeit ist nur ein gewisser Anteil der Wärme durch eine Wärmekraftmaschine in mechanische Arbeit umzuwandeln (-*Carnot-Wirkungsgrad) - dies steht (schein- bar) im Widerspruch zu Joules Arbeit, in der er die äquivalente Umwandelbarkeit von mechnischer Arbeit in Wärme formulierte. Erst mit der Entwicklung eines Energie- und eines Entropiekonzeptes ließ sich dieser vermeintliche Widerspruchauflösen.“58
Neben William Thomson griff auch Rudolph Clausius Joules Arbeiten auf und verglich sie mit Carnots Erkenntnissen.
Folgerung: Energetische Sicht auf Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik
Beim Vergleich ergeben sich zunächst mehrere Widersprüche. Während Carnot aus Sicht des Stoffparadigmas von der Erhaltung der Wärme ausging, zeigte Joule, dass sich Wärme erzeugen lässt. Ein weiterer Widerspruch ist die von Joule postulierte Äquivalenz. Joule zeigte, dass sich mechanische Arbeit vollständig in Wärme umwandeln lässt. Carnot hingegen erkannte zuvor, dass dies nicht in umgekehrter Richtung möglich ist. Wärme kann nicht vollständig in mechanische Arbeit umgewandelt werden. Nach einigen Jahren kamen Thomson und Clausius auf die Lösung. Die Erkenntnisse beider Forscher stehen nicht im Widerspruch, es bedarf lediglich ein neues Konzept, dass die beiden Thesen verbindet. Zunächst folgte die Einführung des Energieprinzips, nachdem Wärme und mechanische Arbeit als verschiedene Formen einer abstrakten Größe aufzufassen sind. Die abstrakte Größe Energie eines geschlossenen Systems, ist eine Bilanzgröße, die weder zu- noch abnimmt. Daraus folgt das Erhaltungsprinzip der Energie. Was sich hingegen ändern kann ist die Energieform. Gemäß den Erkenntnissen von Joule können Umwandlungen zwischen verschiedenen Energieformen erfolgen. Der Energieerhaltungssatz wird als erster Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet. Dieser zeigt ebenfalls die Unmöglichkeit eines Perpetuum mobiles. Es ist unmöglich eine Maschine hervorzubringen, die zusätzliche Arbeit verrichtet. Des Weiteren ist es auch nicht möglich eine „selbstsantreibende“ Maschine zu konstruieren. Da Bewegung immer mit Reibung verbunden ist und somit kinetische Energie kontinuierlich in Wärme umgewandelt wird, würde nach dem Energieerhaltungssatz letztlich jede Maschine zum Stillstand kommen. Inwiefern Umwandlungen zwischen Wärme und mechanische Arbeit erfolgen, ist Gegenstand des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Bei dem Kapitel über Clausius wird eine andere Formulierung des ersten Hauptsatzes erläutert.
3.5 Rudolf Clausius und die Entropie
Die entropische Charakteristik der Wärme
Schon Carnot war die fundamentale Eigenschaft der natürlichen Wärmeflussrichtung von heiß nach kalt intuitiv bekannt und auch aus heutiger Sicht geht Wärme spontan nur von einem heißen Körper auf einen kälteren über. Dies wird an vielen alltäglichen Phänomenen deutlich. Beispielsweise führt das Mischen verschieden temperierter Flüssigkeiten zu einem Wärmeaustausch, bei dem sich im Laufe der Zeit eine Gleichgewichtstemperatur einstellt, die Wärme fließt dabei spontan in ihrer natürlichen Richtung von heiß nach kalt. Dagegen wäre der umgekehrte Fall, also ein spontaner Wärmefluss von kalt nach heiß, undenkbar. In der Praxis entspräche dies der Ausbildung zweier verschieden temperierter Reservoirs aus einer Flüssigkeit, die sich ursprünglich im thermischen Gleichgewicht befand. Ein weiteres Beispiel stellt die Umwandlung von einer Energieform in Wärme dar. Ein rollender Ball wird durch Reibungseffekte abgebremst und kommt schließlich zum Stillstand. In keinem Fall würde ein sich ein in Ruhe befindlicher Ball spontan Abkühlen und wieder zu Rollen beginnen. Die genannten Beispiele verstoßen nicht gegen den Energieerhaltungssatz (1.HS), jedoch zeigt die Erfahrung, dass solche Vorgänge nur spontan in ihrer jeweils natürlichen Richtung ablaufen können. Die Thermodynamik brauchte daher einen 2.Hauptsatz, der sich diesen irreversiblen (nicht umkehrbaren) Vorgängen widmet und eine abstrakte Größe, welche die natürliche Richtung von Prozessen kennzeichnet, um die Natur mittels ihrer Gesetze mathematisch erfassen zu können.
Clausius
Rudolph Clausius wurde 1822 in Köslin, Deutschland geboren. Er studierte die Fächer Mathematik, Physik, Geschichte und Philosophie. In jungen Jahren war er zudem auch im Lehramt für Gymnasien tätig. Nach seiner Promotion zum Doktor der Philosophie beschäftigte sich Clausius mit der im Umbruch befindlichen Wärmetheorie.59 Nachdem der erste Hauptsatz von mehreren Forschen formuliert wurde, stand man nun vor der Herausforderung die Erkenntnisse Carnots mit denen von Joule in Einklang zu bringen. Genau dieser Aufgabe nahm sich der deutsche Theoretiker Mitte des 19. Jahrhunderts an.
In seiner ersten Veröffentlichung „Über die bewegende Kraft der Wärme“ (1850) legte Clausius das kinetische Konzept der Wärme zugrunde und formulierte den ersten Hauptsatz in mathematischer Form. Insbesondere seine mathematische Stärke, verlieh den Theorien Ausdruck und verschaffte ihnen Gehör. Dies bildet auch Hintergrund, wieso ich Clausius gegenüber William Thomson bei der Betrachtung des 2. Hauptsatzes als Protagonist vorzog. Des Weiteren nutzt Clausius die Erfahrungstatsache, dass Wärme nie spontan von einem kalten in einen wärmeren Körper übergeht, als Beweismethode um Aussagen ad absurdum zu führen. Diese Begebenheit ist im Wesentlichen der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Bis Clausius diesen in seiner heutigen Form quantitativ einführt vergehen fünfzehn Jahre.
Um das Wesen der Wärme und ihrer Umwandlung zu verstehen, verschaffte sich Clausius die Aufzeichnungen des Physikers Emile Clapeyron, welcher die theoretischen Ansätze Carnots bereits mathematisierte. Carnot und Clapeyron gehen im Stoffparadigma von der Erhaltung des Wärmestoffs aus und modellieren den Wärmefluss als Fall der Wärmestoffs von einem hohen Potential, was die hohe Temperatur darstellt auf ein niedrigeres Potential, was die niedrigere Temperatur darstellt. Nachdem sich der erste Hauptsatz etablierte, waren ganz andere Voraussetzungen gegeben. Clausius verwarf Carnots erste These der Erhaltung der Wärme und nahm an, dass eine Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit beim Betrieb einer Dampfmaschine erfolgen muss. Nun stellte sich die Frage, wie diese Umwandlung erfolgt und von welchen Umständen diese abhängt. Es ist die Betrachtung des Carnot Prozesses, die hier Aufschluss gibt und an dem sich Clausius orientierte. Dieser zyklische und reversible Prozess idealisiert Umwandlungen von Wärme in mechanische Arbeit und beschreibt die maximal umwandelbare Wärme.
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
B12 Wärmekraftmaschine energetisch
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
B13 p-V-Diagramm
Clausius reformierte den Carnot Prozess auf die heutige Sichtweise. Er legte den Energieerhaltungssatz (1.HS) zugrunde und geht davon aus, dass ein Teil der aufgenommenen Wärme bei Wärmekraftmaschinen in mechanische Arbeit umgewandelt wird und die restliche Wärme ins kalte Reservoir zurückfließt. (B12) Das nebenstehende Diagramm B13 zeigt den Carnot Prozess aus Sicht von Clausius in einem p-V-Diagramm.
Clausius formulierte zunächst den ersten Hauptsatz der Thermodynamik in der heutigen Form:
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Mechanische Arbeit W
Die Formel bringt die Prozessgrößen Wärme und mechanische Arbeit in Beziehung, dabei wird die Äquivalenz der beiden physikalischer Größen deutlich.
In dem idealen Carnot-Prozess wird die aufgenommene Wärmemenge vollständig in Volumenarbeit des Arbeitsgas umgewandelt. Der Prozess stellt die maximale Umwandelbarkeit von Wärme in mechanische Arbeit dar.
Es gilt somit:
Jedoch ergibt sich auf diesem Weg keine Effizienz von 100 Prozent, da der reversible Vorgang in den Ursprungszustand zurückversetzt werden muss. Bei der isothermen Kompression muss ein Teil der Volumenarbeit wieder aufgewendet werden. Gemäß dieser Tatsache kann nur ein Teil der Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt werden, während der die restliche Wärme an das kältere Reservoir abgeben wird.
Umso höher die Temperaturdifferenz der Reservoirs ist, desto größere Druckdifferenzen ergeben sich bei den isothermen Prozessen. Im p-V Diagramm ergibt sich anschaulich eine größere Fläche zwischen den isothermen und adiabaten, was eine größere Umwandlung in mechanische Arbeit bedeutet. Dieser Zusammenhang offenbart die Abhängigkeit der Unwandelbarkeit der Wärme von der Temperaturdifferenz. Bei einer größeren Temperaturdifferenz der beiden Reservoirs kann ein größerer Anteil Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt werden.
Die Untersuchung der Maximalbedingung führte Clausius zu dem Konzept der reduzierten Wärme:
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Wendet man die Gleichung der reduzierten Wärme auf den Carnot-Prozess an, so ist der Quotient bei Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr identisch. Bei realen Umwandlungsprozessen wird hingegen immer ein kleinerer Anteil an Wärme umgewandelt, wodurch im Vergleich mehr Wärme in das kalte Reservoir zurückfließt. Infolgedessen ergibt sich bei der Abgabe der Wärme an das kalte Reservoir ein größerer Quotient . Reale irreversible Prozesse sind gegenüber idealen reversiblen in der Zunahme der reduzierten Wärme gekennzeichnet. Diese Erkenntnis bereitete das Entropiekonzept vor!
Das abstrakte Konzept der Entropie
Den Ansatz der reduzierten Wärme griff Clausius im Jahr 1865 erneut auf und führte sie unter dem Begriff Entropie ein.
Mathematische Entropie Definition nach Clausius
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Inhaltliche Interpretation
Fall 1: Wenn eine Wärmemenge Q von einem heißen Körper A in einen kalten Körper B übergeht, dann ist die Entropie positiv.
Wenn gilt:
dann folgt:
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Fall 2: Wenn eine hingegen eine Wärmemenge Q von einem heißen Körper A in einen kalten Körper B übergeht, dann ist die Entropie negativ.
Wenn gilt:
dann folgt:
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Nun zeigt die Erfahrung, dass Fall 2 nie spontan eintreten würde. Um alle auf Erfahrung basierenden Phänomene beschreiben zu können nimmt Clausius an, dass die Entropie in einem geschossenen System nur zunehmen kann.
2.Hauptsatz der Thermodynamik
Für ein geschlossenes System gilt:
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines geschlossenen Systems nicht abnehmen kann.
Verbale Formulierung
„Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist.“60
Weitere Formulierungen
Es gibt kein perpetuum mobile 2. Art d.h
Es gibt keine periodische Maschine, die einen höheren Wirkungsgrad hat als der Carnot-Wirkungsgrad vorgibt.
„Der zweite Hauptsatz in der Gestalt, welche ich ihm gegeben habe, sagt aus, dass alle in der Natur vorkommenden Verwandlungen in einem gewissen Sinne, welchen ich als den positiven angenommen habe, von selbst, d.h ohne Compensation, geschehen können, dass sie aber im. entgegengesetzten, also negativen Sinne nur in der Weise stattfinden können, dass sie durch gleichzeitig stattfindende positive Verwandlungen compensirt werden.“61
Clausius definiert die Entropieänderung als positiv für diejenigen Prozesse, die in ihrer natürlichen Richtung ablaufen. Bei der Entropie handelt es sich um eine abstrakte Größe, die bei dem natürlichen Ablauf von Prozessen zunimmt. Eine Entropieabnahme ist nur möglich, wenn eine Änderung am System vorgenommen wird, also eine Kompensation stattfindet, bei der die Entropie andernorts größer wird. Dies entspricht inhaltlich dem Pumpen der Wärme von einem kalten in ein heißes Reservoir durch die Zufuhr mechanischer Arbeit. Das Entropieprinzip steuert innerhalb der Thermodynamik die Eigenschaften der Wärme. Es verhindert formal, dass bei Wärmeumwandlungen eine größere Effizienz als der Carnot-Wirkungsgrad erreicht wird und, dass Wärme unter keinen Umständen spontan von einem heißeren in einen kälteren Körper übergeht.
Mit der Einführung der Entropie am 24. April 1865 im Rahmen eines Vortrags in Zürich endet das lange Ringen um eine formale Definition des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.
„Vorläufig will ich mich darauf beschränken, als ein Resultat anzuführen, daß, wenn man sich dieselbe Größe, welche ich in Bezug auf einen einzelnen Körper seine Entropie genannt habe, in consequenter Weise unter Berücksichtigung aller Umstände für das ganze Weltall gebildet denkt, und wenn man daneben zugleich den anderen seiner Bedeutung nach einfacheren Begriff der Energie anwendet, man die den beiden Hauptsätzen der mechanischen Wärmetheorie entsprechenden Grundgesetze des Weltalls in folgender einfacher Form aussprechen kann. 1) Die Energie der Welt ist constant. 2) Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu“ 62
Clausius verweist auf die abstrakte Eigenschaft der Entropie, sie ist in der Natur omnipräsent und strebt einem Maximum zu. Betrachtet man beliebige Prozesse, so kann immer unterscheiden zwischen reversiblen und irreversiblen Prozessen. Allerdings sind fast alle denkbaren Prozesse in der realen Welt irreversibel und somit durch einen Entropieanstieg gekennzeichnet.
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Alterungsprozess von Lebewesen – Ein nicht umkehrbarer Prozess
Mischvorgänge (z.B. Kaffee und Milch) – Nie würde eine Entmischung beider Flüssigkeiten eintreten
Das Zerbrechen von Objekten – Das ursprüngliche Objekt ist irreversibel geschädigt
Wärmeleitung
Reibung
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Spontaner Temperaturanstieg von Objekten
Spontane Abkühlung und Erhöhung der kinetischen Energie von Objekten
Umkehrung des Alterungsprozesses
Hier ist zu sehen, wie der zweite Hauptsatz der Thermodynamik praktisch unmögliche Prozesse theoretisch untersagt.
Durch die historische Betrachtung entfaltet sich das Konzept der Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik in ihrer ursprünglichen Bedeutung. Um den Begriff Entropie einzuführen ist es relevant zunächst irreversible und reversible Prozesse zu unterscheiden und den Zusammenhang mit der Entropie qualitativ herzustellen. Mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wird durch Betrachtung der Größe Entropie klar, dass praktisch unmögliche Prozesse verhindert werden. Meiner Meinung nach erschließt sich das Entropieprinzip besser, wenn es nah an den fachlichen Inhalten vermittelt wird.
Fazit Clausius
Die Anbahnung theoretischer Entwicklung wird an den Ansätzen von Carnot deutlich. Ausgehend von Phänomenen werden verschiedene Theorien entwickelt. Auf Intuition basierende Theorien wie die Carnot‘schen Ansätze werden im Rahmen wissenschaftlicher Untersuchungen modifiziert und gelangen im Zuge wissenschaftlicher Entwicklungen zur vollständigen Reife. Clausius verwarf die These der Wärmeerhaltung und setzte die Umwandelbarkeit und Wesensgleichheit von Wärme und Arbeit voraus. Nach der vollständigen Artikulation beider Hauptsätze war das Rätsel um die Wärme reglementierungskonform gelöst. Dies erinnert an das Puzzle-Solving, welches Kuhn innerhalb der normalen Wissenschaft beschrieb. Wie ein Puzzle setzt Clausius die richtigen Teile zusammen und trennt das wesentliche von unwesentlichen, um auf eine konsistente neue Theorie zu kommen.
3.6 Bolzmanns mechanistischer Überzeugungsversuch
Mit der Formulierung der ersten beiden Hauptsätze der Thermodynamik durch Clausius kann die phänomenologische Thermodynamik als abgeschlossen betrachtet werden. In Bezug auf den Paradigmenwechsel ist jedoch noch die anschließende Epoche der statistischen Mechanik relevant.
Im Jahr 1972 veröffentliche der österreichische Physiker und Philosoph Ludwig Bolzmann eine neue Theorie der Thermodynamik, welche auf denselben Grundannahmen basiert wie die phänomenologische. Im Gegensatz zu dem vorherigen Zugang beschäftigt sich Bolzmann nicht mehr mit dem Zusammenhang makroskopischer Zustandsgrößen, sondern versucht die thermische Bewegung eines Teilchensystems zu modellieren. Der Ansatz die Bewegung jedes Teilchens voraussagen zu können scheitert kläglich an der hohen Komplexität und spätestens nach Einzug der modernen Physik ist dieses Unterfangen als unmöglich zu verwerfen. Stattdessen verfolgte der Physiker den Ansatz das Teilchensystem als Ganzes zu betrachten und Eigenschaften des Systems durch Wahrscheinlichkeitsrechnung / Statistische Mittel zu modellieren.
Es ist anzumerken, dass alle westlichen Eigenschaften der Wärme auf das kollektive Verhalten kleinster Teilchen zurückzuführen ist.
Der zweite Hauptsatz basiert auf dem Streben eines Vielteilchensystems nach dem Gleichgewichtszustand. Dies ist in nebenstehender Graphik veranschaulicht.
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
B14 Mikroskopische Betrachtung
Bolzmanns Lebenswerk, die statistische Mechanik, wurde erst nach seinem Tod als neuer Zugang zur Thermodynamik anerkannt. Durch den Einzug der statistischen Mechanik erhält die Thermodynamik einen zweiten Zugang, der die Erkenntnisse der phänomenologischen Thermodynamik stützt und insbesondere das Entropie Prinzip anschaulich erklären kann. Die Konsistenz beider Ansätze, konnte die Fachwelt von der Validität der kinetischen Sicht auf Wärme überzeugen. Einstein und Plank waren maßgeblich an der Anerkennung von Bolzmanns Theorie beteiligt. Nach der Bildung dieses neuen Konsenses innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft endet ein etwa hundertjähriger Paradigmenwechsel. Es sei angemerkt, dass sich bei der Einführung der statistischen Mechanik kein weiterer Paradigmenwechsel ereignete. Zwar ändert sich die durch Betrachtung von Mikrosystemen die Perspektive, jedoch nicht die fundamentalen Grundannahmen über die Beschaffenheit der Wärme.
4. Schluss
4.1 Zusammenfassung der Erkenntnisse
Die Disziplinen Wissenschaftshistorik und Wissenschaftstheorie sind sehr bedeutsam für die Naturwissenschaft Physik. Bevor Wissenschaft betrieben werden kann, ist es von Relevanz die Beziehung der Wissenschaft zur Natur und ihre Grenzen zu untersuchen. Wichtige Grundannahmen der Wissenschaftsphilosophie sind die Verwerfung von Wahrheitsansprüchen, die beschränkte Wahrnehmung der Natur durch die Sinne (Erfahrungswelt) und die Entwicklung von Wissenschaft als Konsens menschlicher Individuen. Mit der Theorie Kuhns wurde zudem eine Aussage über das Verhältnis der Wissenschaft zur Natur getätigt. Die Eigenschaft der Wissenschaft, dass sie Produkt des menschlichen Geistes ist und sie konsensuell von menschlichen Individuen betrieben wird, distanziert sie von der Natur. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Mensch keine absolute Naturwahrnehmung innerhalb seiner Erfahrungswelt besitzt. Absolute Kenntnis über die Natur wäre nur dann gewährleistet, wenn wir sie in Gänze wahrnehmen würden. Von dem kleinsten Elementarteilchen über den gesamten Kosmos. Da der Mensch dies nicht leisten kann, ist er zu einem Leben er in der Erfahrungswelt verdammt und fristet ein distanziertes Verhältnis zur Natur.
Im Fall dieser Arbeit wurden die Kuhn’schen Ansätze auf die Episode der Entstehung der phänomenologischen Thermodynamik bezogen. Um den Paradigmenwechsel in der Gesamtheit darzustellen, erweiterte ich die historische Betrachtung mit einem Ausblick in die statistische Mechanik. Im Hauptteil wurde geklärt, welche Entwicklungslinien die Wärmelehre prägten und wie die verschiedenen Akteure zur Entwicklung der phänomenologischen Thermodynamik beitrugen. Der Hauptteil fokussiert sehr stark auf die Entwicklung beider Hauptsätze, da diese das Herzstück der Thermodynamik darstellen. Ganz im Zentrum dieser Arbeit stand die Disziplin Wissenschaftshistorik. Anhand der historisch-chronologischen Narration konnten wichtige Grundbegriffe der „Strukturen wissenschaftlicher Revolutionen“ verdeutlicht werden. Nur eine detaillierte und konsistente historische Erzählweise verleiht der Arbeit eine Struktur, anhand der philosophischen Betrachtungen sinnstiftend entfaltet werden können. Da sich die Arbeit wissenschaftstheoretischen, historischen und fachlichen Aspekten zu gleichen Teilen widmet, stehen „Die Strukturen wissenschaftlicher Revolutionen“ nicht mehr im Fokus. Dies wurde in der Wahl des Arbeitstitels berücksichtigt, der einen größeren Anteil Wissenschaftshistorik vermuten lässt.
Um wichtige Erkenntnisse abschließend zu fixieren, greife ich nun auf die im Abstract formulierten Leitfragen zurück.
L1 Passt Kuhns Theorie auf die zu untersuchende Epoche?
Im Rückblick auf die historische Episode erweist sich das Werk „Strukturen wissenschaftlicher Revolutionen“ als passende Theorie zur philosophischen Betrachtung. Wichtige Begriffe der Theorie wurden zunächst eingeführt und ergaben in der Anwendung ein stimmiges Bild mit der Wissenschaftshistorik. Auch viele Voraussagen die Kuhn mit seinem abstrakten Werk tätigte erweisen sich als wahr.
L2 Wie entwickelten sich die Theorien über Wärme?
Die Vorstellungen von Wärme sind durch zwei konkurrierende fundamentale Annahmen über die Zusammensetzung der Materie bestimmt. So ergaben sich zwei Entwicklungslinien, wobei sich die ersten theoretischen Ansätze zur Wärme als Bewegung erst im 18. Jahrhundert entwickelten. Nach vielversprechender normalwissenschaftlicher Forschung schien sich das antike materielle Paradigma zu bewähren, bis die Reibungs-Anomalie zunehmend in den Fokus der Wissenschaftler geriet. Als Folge experimenteller Untersuchungen, dieses doch sehr zentralen Phänomens, entwickelte sich rasch die energetische Vorstellung von Wärme. Nach langem Ringen um den zweiten Hauptsatz und der Einführung der statistischen Mechanik vollzog sich der Paradigmenwechsel zur heutigen Sichtweise. Wärme ist eine Bewegung und eine Form der Energie, sie folgt bei der Umwandlung dem Konzept der Entropie.
L3 Was sind die Hintergründe des lange währenden Paradigmenwechsels?
Grund für das lange Ringen um das neue Paradigma war vor allem die Beschaffenheit der Wärme, zur Arbeit äquivalent zu sein, jedoch nicht im Sinne der Umwandlung. Dieser scheinbare Widerspruch konnte erst nach jahrelanger Forschung durch Clausius aufgehoben werden. Ein großes Problem der phänomenologischen Thermodynamik ist die mangelnde Anschaulichkeit. Erst durch die statistische Mechanik konnte das Entropieprinzip anschaulich für die Wissenschaftsgemeinschaft erklärt werden.
L4 Welche Rolle spielten wissenschaftliche Gemeinschaften bei der Entstehung der Thermodynamik?
Wissenschaftliche Gemeinschaften sind die Hauptakteure der Wissenschaft. An der Entstehung der Thermodynamik waren zahlreiche Forscher beteiligt, die entscheidende Anstöße zur Weiterentwicklung gaben. Die hochkomplexe Natur der Wärme machte es den Wissenschaftlern schwer einen Zugang zu ihr zu bekommen. Die genannten Forscher standen teilweise in Kontakt. Clausius und Thomson kannten sich und mit Joule forsche Thomson in gemeinsamer Arbeit an Theorien zur Wärme. In Bezug auf den Paradigmenwechsel reagierte die gesamte Wissenschaftsgemeinschaft träge, es verging viel Zeit, bis ein einheitlicher Konsens über das neue Paradigma herrschte.
L5 Welche Bedeutung haben die Disziplinen Wissenschaftshistorik und Wissenschaftstheorie für den Unterricht der Mittelstufe
Mit dieser Frage werde ich mich im folgenden Kapitel befassen.
4.2 Schulbezug: Bedeutung der Disziplinen Wissenschaftstheorie und Wissenschaftshistorik für die Pädagogik
Im Bereich der schulischen Bildung stellt historisch-orientierter Unterricht ein elementares didaktisches Prinzip dar. Physikunterricht kann von wissenschaftshistorischen Betrachtungen profitieren, jedoch nicht uneingeschränkt. Auf der anderen Seite lassen sich auch Contra-Argumente für historischen Unterricht finden. Um sich der Bedeutung historischer Bezüge bewusst zu werden, stelle man sich zunächst einen Unterricht vor, der keine historischen Betrachtungen enthält. Wäre dies möglich? Es ist zwar möglich physikalische Konzepte rein fachsystematisch zu erlernen, jedoch blieben dann viele Aspekte von Wissenschaft außen vor! Wissenschaft hat eine lange Entwicklungsgeschichte hinter sich, die bis in die Antike zurückreicht. Die heutigen Wissensbestände sind in der historischen Entwicklung entstanden und sind nicht vom Himmel geflogen. Ohne Blick in die Geschichte, fehlen die Hintergründe der Entwicklung der Konzepte. Physikalisches Wissen ist Ergebnis einer Disziplin, die Wissenschaftler seit mehr als zweitausend Jahren betreiben. In dieser Zeit wurden auf Grundlage von Naturbeobachtungen Theorien in einem revolutionären Prozess (Kuhn) entwickelt. Wissenschaft ist ein iterativer Prozess bei dem sich im Voranschreiten, ein schärferes und stabileres Bild ergibt.
Triebfeder dieser Entwicklung waren neben der Wissbegier der Forscher auch oftmals pragmatische Gründe wie technologisch-wirtschaftliche Interessen. Aus der Geschichte spießt sich das Wissen von Morgen. Wie Wissenschaft funktioniert und welche Denkmuster, fundamentale Ideen und experimentelle Methoden die Wissenschaft auszeichnet sind Gegenstände der Wissenschaftshistorik und Wissenschaftstheorie.
Die Menschlichkeit der Naturwissenschaft und ihre Einbettung in den kulturellen Kontext: Wissenschaft wurde schon immer von einer Subkultur betrieben. Die soziologische Dynamik dieser Subkultur, welche wissenschaftliche Gemeinschaften darstellen, bestimmt bis heute die Entwicklung der jeweiligen Disziplinen. Die kulturellen Einflüsse der Subkultur Wissenschaft auf die gesamte Menschheit werden in den großen technologischen Errungenschaften bis hin zu fatalen Konsequenzen der Naturbeherrschung deutlich.
Folgendes Zitat zeigt die Verankerung beider Disziplinen im Kompetenzbegriff:
„Naturwissenschaftliche Kompetenz ist die Fähigkeit und Bereitschaft, die natürliche Welt anhand des vorhandenen Wissens und bestimmter Methoden zu erklären, um Fragen zu stellen und auf Belegen beruhende Schlussfolgerungen zu ziehen.
In der Folge soll diese Kompetenz den Einzelnen in die Lage versetzen, Fortschritte, Grenzen und Risiken wissenschaftlicher Theorien, Anwendungen und Techniken in der Gesellschaft im Allgemeinen (in Bezug auf Entscheidungsfindung, Werte, moralische Fragen, Kultur usw.) besser zu verstehen. Der Einzelne sollte auch in der Lage sein, die wichtigsten Merkmale einer wissenschaftlichen Untersuchung zu erkennen und die Schlussfolgerungen sowie die zugehörige Argumentation darzulegen.“63
Die Definition naturwissenschaftlicher Kompetenz beinhaltet mit dem Verweis auf Theoriewissen und auf die gesellschaftliche Dimension wissenschaftstheoretische und wissenschaftshistorische Aspekte.
Aus den gezeigten Aspekten wird die Bedeutung der Disziplinen für…
…die Identifikation der Rolle der Wissenschaft in der Welt…
…das Funktionsverständnis von Wissenschaft…
…die naturwissenschaftliche Kompetenz…
…deutlich.
Daher sind Anklänge im naturwissenschaftlichen Unterricht erwünscht. Wobei der Anteil und die Komplexität dieser Betrachtungen mit steigender Klassenstufe (Alter der Schüler) wachsen sollte. Meiner Meinung nach sollten Schüler im Rahmen des Unterrichts an ein authentisches Wissenschaftsbild ran geführt werden. Dieses Bild soll sie zu einer aktiven prozessorientierten Auseinandersetzung mit den Inhalten der Physik motivieren und erlauben Fehler zu machen.
Die im Unterricht beobachteten hohen Fehlerraten in der Physik sind elementarer Bestandteil der gesamten Disziplin. Dies wird vor allem in der historischen Betrachtung klar.
Daher ist es wichtig als Lehrkraft die Schülerperspektive zu würdigen. In Unterrichtsgesprächen sollte aus dem Gedankengut der Schüler in einem dialektischen Prozess, das fachlich richtige entnommen werden und Anstöße in Richtung der fachlichen Perspektive zu geben. Genauer gesagt steht für mich der Versuch der Schüler ihre Vorstellungen zu kommunizieren mehr im Vordergrund als die tatsächlich richtige Antwort auf eine Frage. Ziele wie die vollständige Beherrschung der Inhalte des Bildungsplans können nur erreicht werden, wenn der Unterricht prozessorientiert abläuft.
Conceptual Change Theorie
Die von Posner und Strike formulierte Conceptual Change Theorie setzt die Strukturen Wissenschaftlicher Revolutionen in Bezug zur schulischen Physikdidaktik. Schüler bringen ihre eigenen theoriehaften Grundvorstellungen zu physikalischen Phänomenen mit in den Unterricht. Diese haben sie im Laufe ihrer Lebzeit durch beiläufige Naturbeobachtungen ausgebildet. Im Unterricht treffen nun diese sogenannten Minitheorien der Schüler auf die wissenschaftlichen Theorien der Physik. Ziel des Unterrichts ist die Überzeugung der Schüler von der fachlich korrekten Theorie, dabei erlebt der Schüler einen drastischen Wechsel in wichtigen Grundannahmen. Darin sahen Posner und Strike parallelen zu Paradigmenwechseln, die sich im Zuge wissenschaftlicher Revolutionen ereignen. Wie bei wissenschaftlichen Revolutionen, bei denen Paradigmenwechsel von einem ursprünglichen Paradigma ausgehen, stellt die
Ausgangslage beim Konzeptwechsel die jeweiligen intuitiven Minitheorien der Schüler dar. Es handelt sich dabei um naheliegende Erklärungsmodelle von Alltagsphänomenen, die jedoch nicht die Kriterien echter wissenschaftlicher Theorien erfüllen. Dem Schüler fehlen schlichtweg die theoretischen und praktischen und sozialen Voraussetzungen, um im Rahmen wissenschaftlicher Arbeit zu einer validen Theorie mit logischer Struktur zu kommen. Im Rahmen des Unterrichts treffen nun die Minitheorien auf wissenschaftliche Theorien. Aus Sicht des Schülers, der sich analog in einer Phase „normaler Wissenschaft“ befindet, taucht somit eine neue Theorie auf. Der Schüler braucht dieser Theorie nicht um sich das entsprechende Phänomen zu erklären, wodurch die wissenschaftlichen Theorien des Unterrichts auf Ablehnung stoßen. Dieser Abwehrmechanismus gegenüber dem Neuen ist ein bekanntes und nützliches Phänomen wissenschaftlicher Revolutionen, das dazu dient, die voreilige Zerschlagung des Konsenses zu verhindern. Bei einem Blick in den Ablauf wissenschaftlicher Revolutionen wird klar, dass bevor es zu einem Wechsel kommen kann, zunächst eine Anomalie vorliegen muss, die die normale Wissenschaft in eine Krise versetzt. Im Falle des Schülers ist dies nicht gegeben, er besitzt also keine Motivation seine derzeitige Theorie zu verwerfen. Also muss von Seiten der Lehrkraft ein Anreiz geschaffen werden, damit Schüler ihre Theorie kritisch hinterfragen. Dies kann durch kognitive Konflikte gesehen, die analog zu Anomalien sind. Stößt der Schüler dadurch an die Grenzen seines eigenen Konstrukts, so ist er nach Poser und Strike eher gewillt zu neuen Konzepten zu wechseln.64
Bei Konzeptwechseln spielt zudem Theorieverständnis eine große Rolle. Nur Theorien, die der Schüler in Gänze nachvollziehen kann, wird er längerfristig nutzen. Daher ist es von Bedeutung neue Theorien unter dem Gesichtspunkt der Verständlichkeit durch den Rückgriff auf vielfältige Repräsentationsmodi wie Analogien und Modelle einzuführen. Der Fokus liegt klar beim Vorstellungsaufbau. Die Nützlichkeit von Analogien für das Verständnis konnte ich bei Carnots hydraulischem Vergleich konstatieren. Der ökonomische Wechsel zu den Konzepten der Physik wird also im Wesentlichen durch das Schaffen kognitiver Konflikte und verständnisorientierten Erklärung der zu Erlernenden Theorien begünstigt.
Konsequenzen aus Conceptual Change Theorie (CCT) in Bezug auf Wissenschaftshistorik:
Bei der Auseinandersetzung mit der CCT wird klar, dass Schüler offenbar träge beim Erwerb neuer Theorien und Konzepte sind. Daraus wird der Nachteil von historisch-orientiertem Unterricht ersichtlich. Da Schüler bereits mit einem Konzeptwechsel zur fachlichen Theorie beschäftigt sind könnten historische Rekonstruktionen alter Wissenschaft zu einer Überlast führen. Des Weiteren befürchte ich eine Vermengung der Unterschiedlichen Konzepte.
In meiner eigenen Arbeit mit dem alten Paradigma stellte meine Befangenheit mit dem derzeitigen Paradigma, eine nicht zu unterschätzende Hürde dar.
4.3 Didaktische Anmerkungen
Zu guter Letzt möchte ich noch auf die Schülervorstellungen zur Thermodynamik unter dem Hintergrund der gewonnenen Erkenntnisse eingehen. Neben dem Konzeptwechsel, der bei sich Lernenden analog zu Paradigmenwechsel vollzieht, stellt ein weiterer Anknüpfungspunkt zwischen Historik und Didaktik die ähnliche Konzeptualisierung einiger Phänomene dar. So existiert bei vielen Schülern eine substanzartige Sicht auf den Begriff der Wärme. Zudem konzeptualisieren einige Schüler Wärme und Kälte als zwei getrennte Phänomene. Bei einem Blick in die Historie lässt sich diese Vorstellung bei Bernadino Telessio finden. Wärme und Kälte sind laut seiner Theorie zwei aktive Prinzipien, die der passiven Materie gegenüberstehen. Hintergrund ähnlicher Konzeptualisierung stellt die Sinneswahrnehmung thermodynamischer Phänomene durch den Temperatursinn dar. Der Mensch verfügt über Wärme und Kälterezeptoren, die niedrigere und höhere Temperaturen als verschiedene Phänomene suggerieren. Diese Sinnesbehaftung stellte in der begrifflichen Entwicklung der Thermodynamik eine entscheidende Hürde dar und dies gilt ebenso für die Entwicklung adäquater Vorstellungen im Unterricht.
Im Unterricht muss ein Konzeptwechsel auf folgende Sichtweise erfolgen:
1.) Trennung der Begriffe Wärme und Temperatur
2.) Wärme als Teilchenbewegung
3.) Energieprinzip: Wärme als Energieform
4.) Entropieprinzip: Grundlegende Eigenschaften der Wärme
Gemäß den Prinzipien für ökonomische Konzeptwechsel: Anschaulichkeit, Verständnisorientierung und die Motivation durch kognitive Konflikte65 ergeben sich Implikationen für die Gestaltung des Thermo-Unterrichts. Anschaulichkeit der Thermodynamik kann nur über den Aufbau der Teilchenvorstellung erreicht werden. Der Vorstellungsaufbau zu relevanten Begriffen wie Temperatur, Druck und Entropie muss immer im Rückbezug zur Teilchenebene erfolgen.
Die Orientierung an fundamentalen Phänomenen ist hilfreich bei der Überzeugung der Schüler von der fachlichen Sicht. So stellt das zentrale Phänomen des ersten Hauptsatzes die Reibungswärme dar. Es handelt sich dabei um ein häufig auftretendes Phänomen im Alltag, welches die Wesensgleichheit von mechanischer Arbeit und Wärme demonstrieren kann. Anhand von Wärmekraftmaschinen, wie dem Modell eines Stirlingmotors, können Schüler die Umwandlung der Wärme und den Zusammenhang mit dem Temperaturunterschied erforschen. Auf diesem Weg befinden sich Lernende in der Ausganssituation der Thermodynamik. Dabei können die Carnot‘schen Prinzipien zunächst genetisch und qualitativ nachvollzogen werden, ehe eine weitere Ausdifferenzierung des Entropieprinzips erfolgt. Das abstrakte Prinzip der Entropie als Rechengröße, die Prozessen eine Richtung zuordnet kann durch viele einbahnstraßenartige Prozesse verdeutlicht werden. Eine verständnisorientierte Lehre des Entropieprinzips ist Prozessorientiert und führt nicht an dessen abstrakten Natur vorbei. Wie bereits im Kapitel über Clausius dargestellt, erschließt sich über ein qualitatives Verständnis der Größe Entropie, wie der zweite Hauptsatz unmögliche Prozesse unterbindet und dieser die Beschaffenheit der Wärme steuert.
„Man ist nicht revolutionär, man wird es“ - Sadi Carnot
5. Quellen
5.1 Literatur
Zitation nach HARVARD
KV: Kurzverweis im Text
VB: Vollbeleg im Literaturverzeichnis
Wissenschaftstheoretische Quellen
KV: Kuhn (1976)
VB: Kuhn, Thomas Samuel (1976): Die Struktur Wissenschaftlicher Revolutionen, 27. Auflage 2023, Deutschland: Suhrkamp Verlag / ISBN: 9783518276259
KV: Hoyningen Huene (2014)
VB: Hoyningen-Huene, Paul (2014): Die Wissenschaftsphilosophie Thomas S. Kuhns: Rekonstruktion und Grundlagenprobleme / ISBN: 3663079554
KV: Hoyningen-Huene (1992)
VB: Hoyningen-Huene, Paul (1992): Kuhn: Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen, in: Interpretationen. Hauptwerke der Philosophie: 20. Jahrhundert, Stuttgart: Reclam Link: http://www.zeww.uni-hannover.de/045_Hoyningen_KuhnStrk.pdf
KV: Hoyningen Huene (1997)
VB: Hoyningen Huene, Paul (1997): Thomas S. Kuhn, Journal for General Philosophy of Science, Bd. 28, S. 235-256 Link: http://www.zeww.uni-hannover.de/083_Hoyningen_TSKuhn.pdf
KV: Masterman (1970) VB: Masterman, Margaret (1970): „The Nature of Paradigm“, in: Lakatos/Musgrave (1970), S. 59-89.
KV: Poser (2001)
VB: Poser, Hans (2001): Wissenschaftstheorie Eine philosophische Einführung, 2. Auflage 2012, Stuttgart: Recalm-Verlag / ISBN: 9783150189955 Historische Quellen Primärquellen
KV: Thompson (1798)
VB: Thompson, Benjamin (1798): An Inquiry concerning the Source of the Heat which is excited by Friction. Link: https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rstl.1798.0006
KV: Ostwald / Carnot (1892)
VB: Ostwald, Wilhelm / Carnot, Sadi (1892): Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers Link: https://www.google.de/books/edition/Betrachtungen_über_die_bewegende_kraft/pGgSAAAAIAAJ?hl=de&gbpv=1&printsec=frontcover
KV: Clausius (1865)
VB: Clausius, Rudolph (1865): Ueber verschiedene für die Anwendung bequeme Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie, in: Annalen der Physik und Chemie, Bd. 125, Link:URL:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Die_Energie_der_Welt_ist_constant._Die_Entropie_der_Welt_strebt_einem_Maximum_%281865%29.png Sekundärliteratur
KV: Onlinequelle Leifi
VB: Historische Entwicklung des Teilchenmodells | LEIFIchemie (o. D.) Link: https://www.leifichemie.de/einfuehrung-die-chemie/teilchenmodell/grundwissen/historische-entwicklung-des-teilchenmodells.
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VB: Güntert, Peter (2019): Mikroskopische Bewegung - makroskopische Thermodynamik Link: http://www.bpc.uni-frankfurt.de/guentert/wiki/images/3/30/200120_BPCIThermodynamikStatistischeMechanik.pdf
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VB: Jaeger, Lars: Die Naturwissenschaften: Eine Biographie. Springer Spektrum Sachbuch, Springer-Verlag, Heidelberg / Berlin / New York 2014, ISBN 3-662-43400-8
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VB: Kuhn, Wilfried (2001): Ideengeschichte der Physik Eine Analyse der Entwicklung der Physik im historischen Kontext, 1. Auflage, Braunschweig: Vieweg Verlag / ISBN: 9783528069711
KV: Machold (2003) Machold, Adolf (2003): Elementarisierung der THERMODYNAMIK, Eine methodische Hinführung zu den Grundlagen, Weingartener Hochschulschriften Nr.32 / ISBN: 3924945403
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VB: Heering, Peter (2022): Kanonische Experimente der Physik, 1. Auflage, Berlin: Springer-Verlag / ISBN: 978366264646
KV: Wilbers, Jens (2021)
VB: Wilbers, Jens (2021): Vorlesung Thermodynamik
KV: Onlinequelle Bolzmann (2018)
VB: Bausek, Nina / Washietl, Stefan (2018): Tragic deaths in science: Ludwig Boltzmann — a mind in disorder Link: https://paperpile.com/blog/ludwig-boltzmann/
KV: Gleick, James (1988)
VB: Gleick, James (1988). "Chapter 2:Revolution". Chaos: making a new science. New York: Viking Penguin. pp. 35–56. ISBN 0-670-81178-5.
KV: Bio Thompson
VB: Klassen, Stephen: Biographie von Sir Benjamin Thompson, Reichsgraf Rumford https://www.science-story-telling.eu/fileadmin/content/projekte/storytelling/biografien/biografien-deu/thompson-rumford-biografie-de.pdf
KV: Bio Joule
VB: Katarzyna Przegietka: Biographie von James Prescott Joule Link:https://www.science-story-telling.eu/fileadmin/content/projekte/storytelling/biografien/biografien-deu/joule-biografie-de.pdf?sword_list%5B0%5D=joule&no_cache=1
KV: Bio Carnot
KV: Bio Clausius
VB: Reinganum, Max, "Clausius, Rudolf" in: Allgemeine Deutsche Biographie 55 (1910), S. 720-729 [Online-Version]; Link: https://www.deutsche-biographie.de/pnd116540486.html#adbcontent Conceptual Change Theory
KV: Posner/Strike (1982)
VB: Posner, George / Strike, Kenneth / Hewson, Peter / Gertzog, William (1982): Accommodation of a Scientific Conception: Toward a Theory of Conceptual Change, Link: https://eclass.uoa.gr/modules/document/file.php/PHS122/Αρθρα/Posner_Strike_Hewson_Gertzog.pdf
5.2 Bildquellen
B1 Kuhns Ablaufmodell
https://www.legalevolution.org/2021/05/does-the-kuhn-cycle-apply-to-law-233/
B2 Kaninchen-Ente-Illusion von Wittgenstein
https://de.wikipedia.org/wiki/Kaninchen-Ente-Illusion#/media/Datei:Kaninchen_und_Ente.svg
B3 Kuhn, Feyerabend, Hoyningen-Huene
https://www.timetoast.com/timelines/paul-freyerabend-january-13-1924-february-11-1994
B4 Eiskalorimeter
https://bibliothek.univie.ac.at/sammlungen/objekt_des_monats/003891.html#:~:text=Im%20Jahre%201780%20stellen%20Antoine,wird%20diese%20Erfindung%20Eiskalorimeter%20genannt.
B5 Rumford Bohrversuch
Aus Rumford (1798) Seite
B6 Sadi Carnot
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Sadi_Carnot_%2814782530655%29.jpg
B7 Carnots hydraulische Analogie
https://www.researchgate.net/figure/Hydraulic-analogy-of-a-heat-engine-according-to-Carnot_fig2_225824809
B8 Carnot-Maschine
Aus Carnot, Sadi (1824) Seite
B9 James Prescott Joule
https://de.wikipedia.org/wiki/James_Prescott_Joule#/media/Datei:James_Prescott_Joule_by_John_Collier,_1882.jpg
B10 Joules Schaufelrad
https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-662-64646-5_8
B11 Rudolph Clausius
https://www.spektrum.de/lexikon/physik/clausius/2425
B12 Wärmekraftmaschine energetisch
https://www.chemie-schule.de/KnowHow/Datei:Carnot-Prozess.svg
B13 p-V-Diagramm
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Carnot_Prozess_pV_.jpg
B14 Mikroskopische Betrachtung
https://www.uni-bremen.de/kooperationen/uni-schule/lehrkraefte/fundamentale-fragen-der-physik/entropie-und-grundlagen-statistischer-physik
B15 Dampfmaschine
https://de.wikipedia.org/wiki/Boulton_%26_Watt#/media/Datei:Dampfma_gr.jpg
[...]
1 Hoyningen-Huene (1997):235
2 Vgl. Hoyningen-Huene (1997):235
3 Vgl. Hoyningen-Huene (1997):235
4 Vgl. Poser (2001):124
5 Vgl. Hoyningen-Huene (1997):237
6 Vgl. Hoyningen-Huene (2014):25
7 Hoynigen-Huene (1997):238
8 Vgl. Hoynigen-Huene (1992):320
9 Vgl. Hoynigen-Huene (1992):321
10 Kuhn (1976):15
11 Vgl. Poser (2001):122
12 Hoyningen-Huene (1992):322
13 Vgl. Kuhn (1976):27
14 Vgl. Hoyningen-Huene (1992):322
15 Vgl. Masterman (1970):61
16 Vgl. Hoynigen Huene (1992):316
17 Vgl. Kuhn (1976):50 ff.
18 Vgl. Kuhn (1976):32
19 Kuhn (1976):38
20 Vgl. Onlinequelle Paradigm Shift
21 Vgl. Gleick, James (1988)
22 Vgl. Gleick, James (1988)
23 Poser (2001):121
24 Poser (2001):122
25 Hoynigen-Huene (1997):250
26 Hoyningen-Huene (1992):315
27 Vgl. Onlinequelle Leifi
28 Vgl. Kuhn.W (2001):348
29 Vgl. Kuhn (1976):43
30 Vgl. Kuhn (1976):43
31 Vgl. Salvi/Schettino (2019):76
32 Vgl. Munke nach Wilbers, Jens (2021)
33 Vgl. Wilbers, Jens (2021)
34 Kuhn (1976):47
35 Vgl. Kuhn (1976):42 f.
36 Kuhn (1976):43
37 Vgl. Bio Thompson
38 Vgl. Thomson (1798):97
39 Rumford nach Kuhn,W. (2001):348
40 Laplace/Lavosier nach W.Kuhn (2001):348
41 Hoyningen-Huene (1992):325
42 Vgl. Salvi/Schettino (2019)
43 Vgl. Ostwald / Carnot (1892):7
44 Ostwald / Carnot (1892):10
45 Ostwald / Carnot (1892):8
46 Jaeger (2014)
47 Jaeger (2014)
48 Ostwald / Carnot (1892): 8
49 Ostwald / Carnot (1892): 8
50 Ostwald / Carnot (1892):15
51 Vgl. Ostwald / Carnot (1892):68f.
52 Vgl. Heering (2022):146
53 Vgl. Bio Joule
54 Heering (2022):149
55 Heering (2022):143
56 Heering (2022):143
57 Heering (2022):148
58 Heering (2022):149
59 Vgl. Bio Clausius
60 Zitat Clausius
61 Clausius (1865):398
62 Clausius (1865):24
63 Kompetenz EU
64 Vgl. Posner/Strike (1982):223
65 Vgl. Posner/Strike (1982):224
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- Jan Engel (Author), 2023, Zur Entstehung der phänomenologischen Thermodynamik. Philosophische und wissenschaftshistorische Betrachtungen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1703251
