Seit jeher kapern Physiker Wörter. Man ist dabei großzügig. Mein Physiklehrer in der Schule erklärte uns, Kraft habe eine wohldefinierte Bedeutung, es sei für ihn jedoch OK, wenn wir z.B. von „Kraft Scheibletten Käse“ reden. Nicht akzeptable hingegen sei der Begriff „Atomkraft“, denn er sei irreführend falsch (ich trug damals einen „Baum ab? Nein Danke“-Sticker, da wollte er das vielleicht vorsorglich klären).
Es kommt also auf den Bezug an. Je weiter der Bezug weg von der Physik liegt, desto eher darf man ungestraft Wörter im Gespräch mit einem Physiker auch weiterhin “anders” verwenden. Sheldon Cooper würde wohl selbst die Kraft Scheiblette kommentieren, aber letztlich auch sein OK geben, da „Kraft“ hier der Name des Gründers, James L. Kraft, ist und nicht etwa eine vitalisierende Wirkung der Lebensmittel andeuten sollte. Shelden würde natürlich fortfahren, dass es interessant zu erwähnen sei, dass Helmholtz einen Aufsatz „Über der Erhaltung der Kraft“ schrieb, in dem er über die Verdauung von Nahrung, nicht notwendigerweise nur weiche Käse Scheibletten (Vorsicht: Laktoseintoleranz!), sich seine Gedanken machte und erst durch seine Englandreisen wurde sich Helmholtz seines Fehlers bewusst, nämlich dass der Begriff „Kraft“ durch „Energie“ ersetzt werden muss.
Über die Bedeutung dieser Wortverwechselung wurden Dissertationen geschrieben. Denn dieser Aufsatz gilt als Vorläufer des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik. Der Kampf um Wörter hat Tradition in der Thermodynamik.
Ist Entropie eigentlich Wärme?
Neu ist allerdings der Versuch, dass ein von der Physik gekapertes Wort, nämlich Wärme, innerhalb der Physik für eine andere Größe zurückerobert werden soll. Ja, ich schreibe zurückzuerobern, denn zumindest als „reduzierte Wärme“ wurde ein Vorläufer der Entropie früher bezeichnet. Doch es geht nicht um den ursprünglichen Besitzer.
Es geht darum:
Every time one has to lecture a course on classical theoretical physics one faces the problem of introducing pairs of new variables simultaneously.
So sah Hans-Jürgen Borchers die Probleme der Lehre [1]. Er war mein Thermodynamiklehrer an der Hochschule. Dass wir neue Größen einführen können, liegt wiederum an der Tatsache, dass wir uns auf andere Größen verlassen, die zuvor definiert wurden. In der Thermodynamik stützen wir uns auf Energieformen und Borchers führt seine Betrachtung so fort, dass er zeigt, wie man gleich am Anfang zur Entropie gelangen kann (nämlich über eine absolute Temperaturskala). Man beginnt also die Thermodynamik mit dem nullten und zweiten Hauptsatz. Im Folgenden werde ich mich nicht mehr auf Borchers beziehen sondern meine eignen Gedanken äußern.
Wenn man die Wärmelehre mit den Begriffen Temperatur und Entropie beginnt, wird unweigerlich Entropie nah an den Begriff „Wärme“ gerückt. So nah wie es Temperatur auch schon ist. Nun bezeichnet „Wärme“ aber eine eigenständige Größe, die üblicherweise als uns im ersten Hauptsatz begegnet.
Dabei sollte man sich klar machen, dass die Reihenfolge prinzipiell verhandelbar ist. Hierbei geht es nicht um Didaktik sondern um die Systematik des Fachs Physik.
Bei Borchers wurde Jakob Yngvason promoviert, der zusammen mit Elliott H. Lieb den Aufsatz „The Mathematical Structure of the Second Law of Thermodynamics“ (arXiv) schrieb. Diese Entwicklung in der Thermodynamik wird auch als Entropieprinzip von André Thess bezeichnet und in einer leichter lehrbaren Struktur gelehrt:
Entropie ist die wichtigste und zugleich am schwierigsten verständliche Größe der Thermodynamik. Viele Menschen sind mit ihrer traditionellen Herleitung unzufrieden, weil sie sich entweder auf Begriffe wie „Temperatur” und „Wärme“ [hier ist mit Wärme natürlich gemeint, Anmerkung MAD] stützt, die sich nur mittels der Entropie genau definieren lassen, oder weil sie Konzepte wie „molekuare Unordnung“ enthält, die nicht in eine makroskopische Theorie gehören. Die Physiker Elliott Lieb und Jakob Yngvason haben im Jahre 1999 eine Formulierung der Thermodynamik entwickelt, die frei von den genannten Mängeln ist. In der vorliegenden Kompaktvorlesung sollen die Grundgedanken dieser Formulierung sowie ihre praktischen Anwendungen auf elementare Weise vermittelt werden. Die Lieb-Yngvason Formulierung fußt auf dem Begriff der adiabatischen Erreichbarkeit, aus dessen Eigenschaften das Entropieprinzip als Hauptaussage der Thermodynamik abgeleitet wird.
Das Entropieprinzip übernimmt die zentrale Rolle der Hauptsätze der Thermodynamik, die Temperatur verwandelt sich aus einem Grundbegriff in eine abgeleitete Größe, der Begriff der Wärme wird entbehrlich. Anschauliche Beispiele zur Anwendung des Entropieprinzips runden die Darstellung ab.
(Hervorhebung von mir. Zitat von hier, Ankündigung Blockvorlesung, Prof. André Thess.)
Der Karlsruher Physikkurs und die Neudarstellung der Wärmelehre von Georg Job (der wesentlich am KPK mitgearbeitet hat) gehen in eine ähnliche Richtung, wobei ich diese Werke weder in ihrer Didaktik bewerten kann, noch sie genau genug kenne, um Unterschiede zu dem Entropieprinzip von Thess klären zu können.
Für eine Neustrukturierung der Thermodynamik spricht aber viel. Das sind eben nicht allein didaktische Feinheiten. Sollte sich diese Neustrukturierung in den nächsten Jahrzehnten durchsetzen, dann wird der Begriff Wärme auch stärker mit dem Begriff Entropie verbunden sein. Vielleicht wird Entropie in diesem Rahmen sogar eine eigenständige Einheit bekommen. Oder auf ihre Einheit ganz verzichten müssen. Wenn man z.B. die Boltzmann-Konstante zu den Altlasten der Physik zählte, wäre die Entropie ohne Einheit (weil die Temperatur dann in Joule messen würde). Das scheint mir sinnvoll, denn man sollte nicht eine Ausgangsgröße in einer zusammengesetzten Einheit messen.
Entropie ist also in dem heutigen Lehrsystem keine Wärme. Das hat so auch nie jemand behauptet (es wurde aber unterstellt). Abwegig wäre eine Umbenennung jedoch gar nicht. Vorstellungen, die wir Menschen mit dem Begriff Wärme verbinden, sind auch bei dem ansonsten sehr abstrakten Begriff Entropie durchaus hilfreich. Wer nach einer Alternative für sucht, kann sich mit „thermischer Arbeit“ helfen. Diesen Begriff fand ich bei Job.
Ein spannende Frage wäre folgende:
Würden in einer fiktiven Gesellschaft, zu deren hundertjähriger Denktradition es gehört, die Größe nicht Entropie sondern Wärme zu nennen, den dortigen Schülern, Studenten wie Wissenschaftlern Thermodynamik nicht so große Schwierigkeiten machen? Und wie würde die Gesellschaft, in der es zum Allgemeinwissen gehörte, dass Wärme (was wir Entropie nennen) ausschließlich zunimmt, die „Globale Erwärmung“ bewerten? Das alles muss hypothetisch bleiben.
Literatur
[1] Borchers, H. J. (1985). Some remarks on the second law of thermodynamics. Reports on mathematical physics, 22(1), 29-48.