Unsere Sonne 4(7) - Energie und die Sonne

  • Energie und die Sonne


    Wie schon mal gesagt, die Sonne ist ein sehr gewöhnlicher Stern. Von ihrer Sorte gibt es Milliarden Sterne in unserer Milchstraße.
    Alle Sterne haben ein Lebensdauer und mit Lebensdauer bezeichnet man die Zeit, in der sie aktiv sind, das heißt, sie produzieren Energie, oder korrekt gesagt, sie wandeln Materie um in Energie.
    Auf diese Weise hat die Sonne in ihrem bisherigem "Leben" von 4,57 Milliarden Jahren ungefähr 14.000 Erdmassen Wasserstoff in ihrem Inneren in Helium umgewandelt und dabei sind ca 90 Erdmassen Energie freigesetzt geworden. All das weiß man seit ungefähr 1920, als die Quantenphysik sich so langsam durchsetzte.


    Im 18:ten Jahrhundert hatte man überhaupt noch keine Ahnung, was es mit der Sonne eigentlich auf sich hatte. Daß sie der Wärme- und Lebensspender auf Erden war, war ja klar schon seit der Antike und sie wurde auch als solcher verehrt.
    Es war der berühmte Astronom Friedrich Wilhelm Herschel, der durch einen Zufall die Wärmestrahlung entdeckte. Als er bei einem Prismenexperiment gleichzeitig die Lufttemperatur maß, stellte er fest, daß die Temperatur hinter dem roten Bereich immer höher war als die Raumtemperatur. Er nannte das "unsichtbares Licht".
    Er baute die größten Spiegelteleskope seiner Zeit, löste Nebel in der Milchstraße in Sterne auf, entdeckte den Uranus mit Monden und auch Saturnmonde, katalogisierte über 2500 Nebelobjekte und 850 von ihm entdeckte Doppelsternsysteme. Er stellte fest, daß das Milchstraßenband aus Milliarden und Abermilliarden Sternen besteht, und war der Erste, der vorschlug, daß unsere Galaxie eine unter vielen anderen ist.
    Diese Hypothese, die erst 100 Jahre nach seinem Tode 1822 mit dem Mount Wilson Teleskop und durch Edwin Hubble´s intergalaktische Abstandsberechnung zur Andromeda bewiesen werden konnte, bedeutete einen völlig neuen Rahmen für die Sicht auf das Universum.


    Und natürlich untersuchte und beobachtete Herschel die Sonne. Daß von der Sonne Licht und Wärme kam, war ja klar. Und daß er, wenn er das Thermometer über das Lichtspektrum führte, höhere Temperatur im roten Bereich messen konnte, war, wie schon erwähnt, der Beweis für ihn, daß es auch "unsichtbares Licht" gab. Außerdem schrieb er dem Licht eine Laufzeit zu und war sich bewußt, daß das Licht von der Sonne mindestens Minuten verspätet bei ihm ankam, was wohl der Anfang aller Untersuchungen der elektromagnetischen Strahlung war.


    Und vor allem, er erkannte den Zusammenhang zwischen der Sonnenaktivität und dem Erdklima. Das ging sogar soweit, daß er Londoner Weizenpreise, Ernteresultate über das Wetter und Sonnenflecken feststellen wollte und schrieb:
    The result of this review of the foregoing five periods is, that, from the price of wheat, it seems probable that some temporary scarcity or defect of vegetation has generally taken place, when the sun has been without those appearances which we surmise to be symptoms of a copious emission of light and heat.”
    (Sir William Herschel: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Band 91, 1801, S. 265.)


    Wenn man jetzt all das bedenkt und sich klarmacht, daß so ein Mann, berühmter Astronom und Wissenschaftler, ohne weiteres auch annahm, daß das Innere der Sonne von Lebewesen bewohnt war, wird einem erst das Ausmaß der damaligen Unkenntnis über unsere Sonne und die Sterne, und damit Energie überhaupt, klar.


    Man hatte überhaupt keinen Begriff von Energie. Das Wort selbst stammt aus dem Altgriechischen in der Bedeutung von "lebendiger Wirklichkeit und Wirksamkeit" und wurde erst 1807 zu einem naturwissenschaftlichen Begriff, als der Physiker Thomas Young anfing, ihn in der Mechanik anzuwenden. Diese neue Größe sollte die Stärke von Wirkungen angeben, die ein bewegter Körper hervorrufen kann und die man nicht nur durch seinen Impuls erklären konnte.


    Über den Begriff Impuls mv (Masse mal Geschwindigkeit) war man sich schon in der zweiten Hälfte des 17:ten Jahrhunderts im Klaren. Und weil ein Körper mit unterschiedlicher Masse aber gleichem Impuls verschieden große Wirkung haben kann, verbesserte Gottfried Wilhelm Leibniz 1686 diese Größe mit Hilfe einer intelligenten Ableitung auf mv². Er nannte sie Vis Viva (lebendige Kraft). Im Jahre 1726 setzte noch Daniel Bernoulli in einer Ableitung den korrekten Faktor 1/2 davor und formulierte 1735 das "Gesetz der Erhaltung der lebendigen Kräfte".
    Das war die kinetische Energie, die erst 1853 unter diesem Begriff in die Physik einging.


    Man hatte auch im 1800 Jahrhundert eine Vorstellung von potentieller Energie. Man sprach damals von der "latenten Form der lebendigen Kraft".
    Im Übrigen war man aber ziemlich uninteressiert und hielt das Ganze mehr für eine philosophische Frage. Man war ja auch voll beschäftigt mit Bewegung und der Himmelsmechanik.


    Im 19:ten Jahrhundert war es dann soweit. Man fing aber so ziemlich wieder von vorne an. Man sprach sogar von "spekulativer Physik". Der Vater von Nicolas Carnot schrieb noch, dass die lebendige Kraft entweder mv² sein kann oder latente lebendige Kraft (Kraft mal Weg).
    Dampfmaschinen waren ja schon voll in Arbeit und es war auch ganz klar, daß Wärme die Ursache für Arbeit ist. Nicolas Carnot sah, daß für die Verrichtung der Arbeit eine Volumenänderung des Dampfes notwendig ist, und veröffentlichte 1824 eine Arbeit über das Funktionsprinzip der Dampfmaschine, was 1834 mathematisch untermauert zu der graphischen Darstellung des CarnotKreisProzesses führte.
    Gleichzeitig schlug der französische Physiker/Mathematiker Coriolis endgültig fest, daß Kraft mal Weg eine Arbeit war und daß für die Bewegungsenergie 1/2mv² gesetzt werden muß (ab 1853 also kinetische Energie). Jetzt fing man an von einem Energiebegriff im heutigen Sinne zu reden.


    1841 veröffentlichte der Arzt Julius Robert Mayer die Idee, daß Energie nicht geschaffen sondern nur umgewandelt werden kann. Er schrieb: "Meine Behauptung ist .... Fallkraft, Bewegung, Wärme, Licht, Elektrizität und chemische Differenz der Ponderabilien sind ein und dasselbe Objekt in verschiedenen Erscheinungsformen."
    Die verlorene Energie bei der Dampfmaschine entspricht der Arbeit, die sie leistet. Das ist Energieerhaltung oder auch der erste Hauptsatz der Thermodynamik.
    Der Physiker Rudolf Clausius verbesserte das noch 1854 mit Reibungsverlusten und führte den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und den Begriff Entropie ein.


    Ungefähr gleichzeitig kam der Physiker Hermann von Helmholtz mit dem Prinzip der "Erhaltung der Kraft" und machte damit das "PerpetuumMobile" unmöglich.
    Immer noch war das alles sehr umstritten -- wie gesagt "spekulative Physik".


    Dann kam beinahe alles Schlag auf Schlag.


    Der Mathematiker/Physiker James Clerk Maxwell, von dem Einstein schrieb "das Tiefste und Fruchtbarste, das die Physik seit Newton entdeckt hat" begründete die ElektroDynamik mit seinen Maxwellgleichungen, stellte fest, daß elektrische Felder zusammen mit magnetischen Feldern sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und elektromagnetische Strahlung ergeben, und daß Licht eine Form von elektromagnetischer Strahlung ist. Er schrieb 1864: "This velocity is so nearly that of light, that it seems we have strong reason to conclude that light itself (including radiant heat, and other radiations if any) is an electromagnetic disturbance in the form of waves propagated through the electromagnetic field according to electromagnetic laws".
    Diese Verbindung von Licht und ElektroMagnetismus ist ganz ohne Zweifel die physikalische Großtat des 1900:ten Jahrhunderts, und die Wellentheorie wurde 1886 experimentell von Heinrich Hertz bestätigt, als er als erster elektromagnetische Wellen erzeugen und nachweisen konnte. Das war der Beginn der Funktechnik.


    Jetzt hatte man also den Energieerhaltungssatz: die Summe potentieller Energie plus kinetischer Energie ist konstant und entspricht der Gesamtenergie eines mechanischen Systems oder Emech=Epot+Ekin [kg m²/s²], wobei Epot=m g h [kg (m/s²) m], Masse mal Erdbeschleunigung (m mal g gleich Gewichtskraft) mal Höhe h ist, und Ekin=1/2m v² [kg m²/s²].


    Das mit der Energie ist heute so umfangreich und ein Studium für sich. (Weiter hier)

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