III. Thermodynamik


FRIEBE, E. (1987): „Wo liegen die ursächlichen Irrtümer in der theoretischen Thermodynamik?“, Zeitschr. „raum & zeit“, 28/87, S. 68 - 71


  
Wo liegen die ursächlichen Irrtümer in der theoretischen Thermodynamik?

100 Jahre alte Vorurteile und Dogmen

Ekkehard FRIEBE (Deutsches Patentamt, München)

Der nachstehende Aufsatz sollte ursprünglich in der Zeitschrift „Sonnenenergie“ erscheinen, herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V. (DGS), München. In dieser Zeitschrift war eine heftige Diskussion über die theoretischen Grundlagen der beiden Hauptsätze der Thermodynamik entbrannt. Das Thema wurde offenbar auch ohne Sonnenenergie so heiß, daß der Präsident der DGS, Dr. H. Selzer aus Bremen, von seinem Weisungsrecht gegenüber der Redaktion (!) Gebrauch machte und keine weitere Stellungnahme zum Thema Thermodynamik mehr zuließ. Begründung: Die Diskussion über die Richtigkeit der Hauptsätze der Thermodynamik habe mit den regenerativen Energiequellen direkt nichts zu tun.

Diese Logik entspricht etwa einem Mann, der ein Haus bauen will und zum Architekten sagt: „Schweifen Sie nicht ab mit Ihren Diskussionen über die Beschaffenheit des Grundes, auf dem ich mein Haus bauen will. Die Beschaffenheit des Grundes hat mit meinem Hausbau direkt nichts zu tun.“

Für Dipl.-Ing. Ekkehard Friebe war diese Logik ebenfalls nicht nachvollziehbar, weshalb er sich an „raum & zeit“ wandte. Hier ist seine Betrachtung, die anfänglich noch auf die Zeitschrift „Sonnenenergie“ Bezug nimmt.


Die Aktion der „Sonnenenergie“ zur Diskussion der Grundlagen der Thermodynamik begrüße ich sehr. Schon im Jahre 1984 wurde ich aufmerksam gemacht durch einen Vortrag von KIRCHHOFF (1984) vor der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) in Münster / Westf. Ferner gab mir ein Beitrag von BLÖSS (1985) in der Reihe „DABEI-Colloquium“ zu denken. Jedoch erst der Aufsatz von BARTH (1986) brachte mich zu der Überzeugung, daß die Sache wert ist, genau überprüft zu werden.

Das Ergebnis der Überprüfung ist erstaunlich und erschütternd zugleich. Ähnlich wie in anderen Bereichen der Theoretischen Physik (FRIEBE 1983, 1984, 1985), ist auch in der Thermodynamik der „Glaube an die Unfehlbarkeit der Mathematik“ die Ursache zahlreicher Fehldeutungen. Wo liegen nun die ursächlichen Irrtümer in der theoretischen Thermodynamik?

Ausgangspunkt ist einerseits ein grundsätzliches Mißverständnis des Ersten Hauptsatzes (Energieerhaltungssatz). Er besagt lediglich, daß Energie weder aus dem „Nichts“ hervorgezaubert noch in ein „Nichts“ verwandelt werden kann. Dieser Satz folgt zwingend aus dem Kausalitätsprinzip, ohne das eine exakte Wissenschaft überhaupt nicht möglich erscheint. Es ist hier den Ausführungen von SCHMIDT (1987) zuzustimmen: Der Energieerhaltungssatz ist ein reines Axiom zur Bilanzierung. Näheres hierzu in THÜRING 1967, S. 240 - 247.

Das zweite Mißverständnis, und zwar das bedeutsamere, liegt im Zweiten Hauptsatz der Wärmelehre begründet. Sehen wir uns dazu verschiedene Interpretationen an. Wir stützen uns dazu auf FLEISCHMANN (1980). Dort sind fünf Formulierungen gegeben:


1. Formulierung: Es gibt keinen Kreisprozeß mit einem Wirkungsgrad eta besser als:

(1)                                               eta = (T2 - T1) / T2

(T2 = höhere absolute Temperatur)

(T1 = niedere absolute Temperatur)

2. Formulierung: Niemals kann das zweite Ende eines Stabes von selbst wärmer werden und dafür das andere entsprechend kälter, auch wenn dabei der gesamte Wärmeinhalt des Stabes unverändert bleiben würde. Dieses Ergebnis kann vielmehr nur unter Zufuhr mechanischer Arbeit erreicht werden.

3. Formulierung: Es ist unmöglich, durch eine periodisch wirkende Maschine fortgesetzt Wärmeenergie in mechanische Arbeit überzuführen, ohne daß eine sonstige Änderung zurückbleibt.

4. Formulierung: Ein perpetuum mobile zweiter Art (Arbeitsgewinn lediglich durch Abkühlen eines Wärmebehälters, etwa des Weltmeeres) ist unmöglich .

5. Formulierung: Bei umkehrbaren Prozessen ist die Entropieänderung gleich Null, in allen anderen nimmt die Entropie zu; stets gilt für ein abgeschlossenes Gesamtsystem: Entropieänderung größer oder gleich Null.


Zu diesen fünf Formulierungen ergänzt nun FLEISCHMANN einen bemerkenswerten Satz:
„Man kann zeigen, daß alle diese Formulierungen völlig gleichwertig sind.“

Diese Aussage bedarf einer eigenen Untersuchung. Zwar treffen die Formulierungen 2. bis 5. vermutlich zu, wenn man die Formulierung 1. als richtig unterstellt. Dieser Gedankengang ist aber nicht reversibel. Denn z. B. die Formulierungen 2. und 4. sind lediglich qualitative Aussagen, die durchaus mit dem Ersten Hauptsatz im Einklang stehen. Auch sind sie zwanglos vereinbar mit den sehr anschaulichen Darlegungen von BARTH (1986). Denn dort wird klar gesagt - im Gegensatz zu zahlreichen Lehrbuch-Darstellungen -, daß nur die relative Potentialdifferenz (Temperaturdifferenz) maßgebend ist für die Größe des Energieflusses. Man könnte noch ergänzen: Auch die Richtung des Energieflusses ist eindeutig vom Vorzeichen der Potentialdifferenz bestimmt.

Die Formulierungen 2. und 4. besagen also nur, daß ein vorhandener Gleichgewichts-Zustand nicht „von selbst“ in einen Ungleichgewichts-Zustand übergeht. Dies ist eine absolut plausible und mit der Erfahrung im Einklang stehende Aussage.

 

Unschlüssige Aussage

Ganz anders verhält es sich jedoch bezüglich der 1. Formulierung, von der FLEISCHMANN (1980, S. 257) behauptet, sie sei ein Erfahrungssatz, der in allen seinen Folgerungen bestätigt worden sei. Er gelte für jeden denkbaren Kreisprozeß und jeden beliebigen Stoff als Arbeitsmittel.

Warum ist diese Aussage unschlüssig?   -   Sie läßt unberücksichtigt, daß die 1. Formulierung noch weitere Definitionen, Annahmen und Axiome in sich schließt, die teilweise impliziert und teilweise expliziert bei den üblichen Lehrbuchableitungen eingeführt werden. Die Formulierung 1. ist daher wesentlich enger in ihrem Aussagegehalt als die Formulierungen 2. und 4.

So wird bei der 1. Formulierung vorausgesetzt, daß die Wärmeenergie Q der absoluten Temperatur T streng proportional sei. Denn der Wirkungsgrad eta wird auch wie folgt formuliert:

(2)                                            eta = (Q2 - Q1) / Q2 = (T2 - T1) / T2

Erstaunlicherweise „beweist“ CLAUSIUS diesen „Tatbestand“ sogar in seinem Buch von 1887, S. 82 bis 87. Er kommt - unter Verwendung von in früheren Abschnitten desselben Buches abgeleiteten Gleichungen - zu dem Ergebnis, daß stets Q1/Q2 = T1/T2 sein müsse. Er unterscheidet dabei nicht zwischen dem stationären Zustand eines erwärmten Mediums und dem Energiefluß zwischen zwei Medien unterschiedlicher Temperaturen.

Die Ableitung, auf die CLAUSIUS (1887) Bezug nimmt, umfaßt selbst - unter Einschluß der dort wieder auftretenden Rückbeziehungen - 13 Seiten. Dabei wird aber von ihm und seinen Zeitgenossen übersehen, daß mit mathematischen Mitteln ein „Beweis“ eines physikalischen Sachverhaltes überhaupt nicht möglich ist (vgl. MESCHKOWSKI 1976). Ein Irrtum, der auch heute noch bei vielen Naturwissenschaftlern anzutreffen ist. Eine mathematische Formulierung ist - Fehlerfreiheit vorausgesetzt - lediglich die formelmäßige Abbildung der eingegebenen Prämissen.

Es erübrigt sich daher, der umfangreichen „Beweisführung“ von CLAUSIUS im einzelnen zu folgen. Es genügt, wenn wir uns den Rechengang als „Schwarzen Kasten“ (z. B. einen geeignet programmierten Computer) vorstellen, in den gewisse Annahmen eingegeben werden und aus dem eindeutig zugeordnete Ausgangsformeln herauskommen.

In Anwendung auf den vorliegenden Fall besagt dies: Es wurde an irgendeiner Stelle - implizit oder explizit - die strenge Proportionalität zwischen Wärmeenergie Q und absoluter Temperatur T als Axiom eingeführt und als Grundlage aller weiteren Rechnungen verwendet. Und damit war bereits das „Kind in den Brunnen gefallen“. Denn diese Annahme besagt:

(3)                                                Q = K · T

(4)                                              dQ = K · dT

(K = zustandsunabhängige Konstante, dQ und dT sind hierbei Differentiale)

Daraus folgt:
Wenn das Differential dQ = 0 ist (Wärmeenergie-Änderung gleich Null),
dann muß auch dT = 0 sein (Temperatur-Änderung gleich Null).

Das bedeutet aber mit anderen Worten: Das eingeführte Axiom führt zwingend zu der Aussage, daß die Adiabate (dQ = O) in ihrem Verlauf im PV-Diagramm deckungsgleich mit dem der Isotherme (dT = 0) vorausgesetzt ist. Daß dies nicht mit der Erfahrung im Einklang steht, war schon damals hinreichend bekannt, wurde aber nicht dem genannten Axiom gegenübergestellt, da dieses ja als „mathematisch bewiesen“ galt.

 

Der Null/Null-Trugschluß

Eine schwerwiegende Folgerung hieraus ist nun, daß ein Kreisprozeß, der nur von zwei Adiabaten und zwei Isothermen begrenzt ist (sogenannter CARNOT-Kreisprozeß), im PV-Diagramm gar keine Fläche einschließt und daher gar nicht zu einem Arbeitsintegral führt. Denn Adiabate und Isotherme sind ja - voraussetzungsgemäß - deckungsgleich. Im Verlauf des geschlossenen Kreisprozesses tritt aufgrund des fehlerhaften Ansatzes keinerlei Temperatur-Änderung des Arbeitsmittels auf, da sich rundherum dT = 0 ergibt.

Ein Wirkungsgrad kann deshalb auch nicht abgeleitet werden. Denn sowohl zugeführte als auch abgeführte Wärmeenergie sind je für sich gleich Null. Bei Anwendung der Wirkungsgradformel (Glg. 2, mittleres Glied) ergibt sich ein NULL/NULL-Trugschluß. Es liegt hier ein analoger Fall vor wie bei der speziellen Relativitäts-Theorie, bei der ein NULL/NULL-Trugschluß (DISSLER 1971) den Weltruhm EINSTEINs begründete.

In seiner Not hat nun CLAUSIUS (1887), im Widerspruch zu seinen eigenen Prämissen, den Wärmeenergie-Zustand bei zwei Temperaturen im stationären Fall - bezogen auf den damals neu eingeführten absoluten Temperatur-Nullpunkt - seiner Rechnung zugrunde gelegt. Den tatsächlichen Vorgängen hätte es entsprochen, den Wärmeenergie-Fluß zwischen heißem bzw. kaltem Energiespeicher und Arbeitsmittel (Gas) einzusetzen. Dieser wird jeweils durch die Differenz zweier Temperaturen bestimmt. Diesbezüglich ist den Ausführungen von BARTH (1986) vollinhaltlich zuzustimmen.

Dies entspricht andererseits auch der oben zitierten 4. Formulierung des Zweiten Hauptsatzes, demgemäß ein Arbeitsgewinn lediglich durch Abkühlen eines Wärmebehälters, etwa des Weltmeeres, nicht möglich ist, es sei denn, es ist ein zweiter Wärmebehälter mit einer abweichenden Temperatur vorhanden.

 

In sich widersprüchlich

Durch die genannten Irrtümer ist die Thermodynamik in sich widersprüchlich. Es läßt sich nun zeigen, daß aus einer mathematisch formulierten Theorie mit inneren Widersprüchen jeder Unsinn abgeleitet werden kann. Dies ist auch die Ursache der von KIRCHHOFF (1986, 1987) aufgezeigten zahlreichen Ungereimtheiten in der Lehrbuch-Thermodynamik. Auch experimentelle Bestätigungen einer in sich widersprüchlichen Theorie sind unmöglich. Denn jedes Experiment zu Gunsten der Theorie ist - wegen der inneren Widersprüche - gleichzeitig ihre eigene Widerlegung.

Für den Praktiker herkömmlicher Wärmekraftmaschinen sind die aufgezeigten, schwerwiegenden Irrtümer nicht so offensichtlich, da der CARNOT-Kreisprozeß praktisch überhaupt nicht durchführbar ist, wie KIRCHHOFF (1987) zutreffend ausführt und wie in neueren Lehrbüchern auch zugegeben wird. Von einer experimentellen Bestätigung kann schon aus diesem Grunde nicht die Rede sein. Außerdem enthalten die Wirkungsgrade der tatsächlichen Wärmekraftmaschinen eine Reihe realer Verluste (Verluste durch: Abstrahlung, Ableitung, Temperaturgefälle, Reibung, Undichtigkeiten u.a.), die mit den rein fiktiven Verlusten der Theorie in keinem logischen Zusammenhang stehen.

Für neuere Alternativen zur Nutzung von Wärmeenergie, bei denen nur kleine Temperaturdifferenzen zur Verfügung stehen, sind die aufgezeigten Fehler jedoch ganz entscheidend. Dies trifft vor allem auch für die Anwendung der Sonnenenergie zu. Man sollte sich deshalb endgültig von mehr als 100 Jahren alten Vorurteilen und Dogmen lösen.

 

Energie mit Spannung verwechselt

Viel bedeutsamer sind jedoch die fehlerhaften Folgerungen aus dem falsch interpretierten Zweiten Hauptsatz im Hinblick auf die Theoretische Physik. Der Energiebegriff ist dort ganz in Unordnung geraten. So ist die MAX PLANCK zugeschriebene Formel

E = h · ny

(E = Energie, h = PLANCKsches Wirkungsquantum, ny = Frequenz)

niemals experimentell bestätigt worden (POPPER 1982, SELLERI 1983, FRIEBE 1984, THEIMER 1986). Sie beruht sowohl im theoretischen Ansatz als auch in der sog. experimentellen Überprüfung auf einer Verwechslung von elektrischer Energie mit elektrischer Spannung.

Die ALBERT EINSTEIN zugeschriebene Formel

E = m · c²

(E = Energie, m = Masse, c = Lichtgeschwindigkeit)

ist in der üblichen Interpretation einer „Äquivalenz von Masse und Energie“ bzw. einer „Umwandelbarkeit von Masse in Energie“ unhaltbar (JAMMER 1964, THEIMER 1977 und 1986, GUT 1981, FRIEBE 1983 und 1985). Es würde jedoch zu weit führen, an dieser Stelle hierauf näher einzugehen. Der Autor der vorliegenden Zeilen ist aber gerne bereit, weitere Auskünfte und Literatur-Hinweise zu geben.

Bevor Sie, lieber Leser, jedoch „böse Briefe“ schreiben, sollten Sie zunächst das Buch: „Kabinett physikalischer Raritäten“ von WEBER / MENDOZA (herausgegeben in der Reihe „Facetten der Physik“ von Dr. Roman U. SEXL) gelesen haben, insbesondere die Beiträge: „Trugschlüsse und ihre Anwendungen“ und „Wie theoretische Physiker arbeiten“. Es wird hier in höchst geistreicher, humorvoller Weise dem Physiker dieses Jahrhunderts der Spiegel vorgehalten. Herzhaftes Lachen ist dabei erlaubt!

 

LITERATUR

BARTH, G. (1962): Rationale Physik, Verlag „Wissen im Werden“, A - 2063 Zwingendorf, Haus Bradley

BARTH, G. (1975): Energetische Wärmetheorie, Verlag „Wissen im Werden“, A - 2063 Zwingendorf, Haus Bradley

BARTH, G. (1986): Wenn Wärme nicht als „minderwertige“ Energie angesehen würde..... Zeitschrift: „Sonnenenergie“ 5/86, S. 30 - 31

BENECKE, J. (1987): Kernfusion ist keine Alternative, Zeitschr. „Bild der Wissenschaft“, 1987, H. 2, S. 128

BLÖSS, Chr. (1985): Der Entropie-Begriff - Ein Irrtum und seine Folgen für die Thermodynamik, DABEI-Colloquium Heft 3, Bonn

CLAUSIUS, R. (1887): Die mechanische Wärmetheorie. Friedr. Vieweg und Sohn, Braunschweig

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FRIEBE, E. (1985): Die Bedeutung der Integrations-Konstanten für die mathematische Beschreibung von Bewegungsvorgängen. DPG-Tagung, München

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Hinweis:  Die Vorträge mit dem Vermerk: „DPG-Tagung“ sind im Tagungsband des Fachausschuß Didaktik der Physik des jeweils genannten Jahres abgedruckt.