Caloricum
München, 1798. Graf Rumford sieht im Zeughaus zu, wie Kanonenrohre gebohrt werden, und stellt eine Rechenfrage. Ist Wärme ein im Metall verteilter Stoff, so ist ihr Vorrat endlich, und das Bohren muss irgendwann aufhören zu wärmen. Er nimmt einen stumpfen Bohrer, stellt das Rohr in einen Wasserkasten und hat nach zweieinhalb Stunden kochendes Wasser. Er wechselt das Wasser — wieder kochend.
Das Caloricum war eine gewichtslose Materie, die Lavoisier in seine Tabelle der einfachen Stoffe aufnahm. Man glaubte, sie fließe vom Heißen zum Kalten und bleibe dabei erhalten. Ihre Menge maß man in Kalorien: Eine Kalorie erwärmt ein Gramm Wasser um ein Grad. Die Theorie lieferte richtige Tabellen der Wärmekapazitäten und sogar Carnots Theorie der Wärmekraftmaschinen. Doch Rumfords Versuch zeigte, dass sich Wärme ohne Ende gewinnen lässt, solange man Arbeit verrichtet.
| Zeichen | caloric · calorique · Maß cal |
| Wie man maß | nach der Masse geschmolzenen Eises und der Erwärmung von Wasser · Q = c·m·ΔT |
| Was angenommen wurde | Erhaltung: Was ein Körper abgab, nahm ein anderer auf |
| Eingeführt und verworfen | calorique — Lavoisier, 1789 · Rumfords Versuch — 1798 · mechanisches Äquivalent — Joule, 1843—1850 |
| Heutige Schreibweise | Wärme ist eine Form der Energie, in Joule · 1 cal = 4,184 J · ISO 80000-5 |
| Typische Werte | 79,7 cal — ein Gramm Eis schmelzen · 540 cal — ein Gramm Wasser verdampfen · 2000 kcal — Tagesration |
01 · Definition
Das gewichtslose Fluid der Wärme
Nach dem System des späten 18. Jahrhunderts steckt das Caloricum in den Körpern und fließt von warmen zu kalten. Seine Teilchen stoßen einander ab — deshalb breitet sich Wärme aus und dehnen sich Körper beim Erwärmen. Verschiedene Stoffe fassen Caloricum verschieden: Eisen braucht zehnmal weniger als Wasser, um sich um ein Grad zu erwärmen.
Auch Blacks latente Wärme fand eine Erklärung: Schmelzendes Eis nimmt Caloricum auf, wird aber nicht wärmer, also tritt es gebunden ein. Die ganze Rechnung des Systems ruhte auf einer Annahme — dass das Caloricum erhalten bleibt. Genau sie musste fallen. Die Formeln der Wärmekapazität blieben gültig, nur zählt Wärme heute als Energie.
Wärme auf der Waage, ohne Thermometer
In der Mitte eine heiße Probe in einer Kammer aus Eis; ihre Farbe hängt von der Temperatur ab. Türkis zeigt Eis und Schmelzwasser, das in die Schale unten rinnt — aus seiner Masse ergibt sich die Wärme. Der äußere Mantel ist ebenfalls aus Eis, er schützt den Versuch vor der Wärme des Raums. Bernsteinfarbene Punkte sind das Caloricum, wie man es sich vorstellte: Es tritt aus der Probe ins Eis, bis die Probe auf null abgekühlt ist.
Wie das Caloricum alles erklärte — bis man zu bohren begann
Hier ist das Caloricum so gezeichnet, wie man es sich vorstellte: 260 bernsteinfarbene Teilchen eines gewichtslosen Fluids. In den ersten drei Versuchen ändert sich ihre Zahl nicht; sie fließen nur hinüber, dehnen den Körper oder verstecken sich im schmelzenden Eis. Hohle Kreise sind gebundenes Caloricum, die türkise Schicht ist Eis. Im vierten Versuch erzeugt der Bohrer neue Teilchen, weiße, aus dem Nichts — und die Rechnung geht nicht mehr auf. Der Schieber führt den Versuch, die Zahlen unter der Szene sind in Kalorien gerechnet, wie damals.
Das Rohr, das nicht abkühlte
In der Mitte die Bohrmaschine des Zeughauses. Pferde gehen im Kreis, ihr Göpel dreht über ein großes Rad und ein Ritzel ein Bronzerohr. Das Rohr steht in einem Wasserkasten, ein stumpfer Bohrer drückt in seine Seele. Flieder zeigt die mechanische Arbeit: Getriebe, Welle, Leistung der Pferde. Bernstein ist die Wärme, die an der Reibstelle entsteht: Teilchen steigen vom Bohrer durch das Wasser auf. Türkis sind das Wasser und seine Temperatur. Rechts zeichnet ein Bildschirm die Erwärmung des Wassers, darunter die Rechnung des Caloricums. Nach der Theorie ist der Vorrat an Caloricum im Rohr endlich. Der Balken zeigt, wie viel von diesem Vorrat schon hätte abfließen müssen. Die Zeit läuft 120-mal schneller: eine Sekunde sind zwei Minuten. Wenn Sie 20 s nichts berühren, laufen die Versuche von selbst.
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02 · Umrechnung
| {n} | {v} | {note} |
Es gibt mehrere Kalorien. Die thermochemische ist genau 4,184 J, die internationale 4,1868 J, die 15-Grad-Kalorie 4,1855 J. Der Unterschied liegt bei Zehntelprozent. Bei genauer Arbeit gibt man die Art der Kalorie an — oder schreibt besser gleich Joule.
Gramm Eis und kochendes Wasser waren die Maße jener Zeit: So sah man Wärme. Ein Gramm Eis zu schmelzen kostet 79,7 cal, ein Gramm Wasser bei 100 °C zu verdampfen etwa 540 cal. Dampf verbrüht schlimmer als kochendes Wasser genau wegen dieser 540.
03 · Größenordnungen
04 · Messgeräte
05 · Schreibregeln
06 · Benachbarte Einheiten
Das Caloricum ist verschwunden, aber es hat ein Erbe hinterlassen. Carnot leitete die Grenze der Wärmekraftmaschinen her, indem er das Caloricum als erhalten ansah — und die Formel gilt bis heute. Arbeit und Wärme erwiesen sich als eine Größe, und aus dem Verhältnis von Wärme zu Temperatur erwuchs die Entropie.
07 · Historischer Teil
Die Caloricum-Theorie verdarb keine einzige Messung: Das Kalorimeter maß übertragene Wärme, keinen Stoff. Deshalb überlebten die Tabellen der Wärmekapazitäten von Lavoisier und Laplace die Theorie. Verworfen wurde nur die Annahme der Erhaltung, das Maß blieb — die Kalorie.
Die Kalorie wurde über das Wasser definiert und hatte mehrere Fassungen: bei 15 °C, gemittelt von 0 bis 100 °C, international. 1948 empfahl die Generalkonferenz für Maß und Gewicht, Wärme in Joule anzugeben. Die Kalorie blieb auf Lebensmittelpackungen und in alten Handbüchern.
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