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Entropie

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Tropfen und Pixel

Tropfen und Pixel habe ich dieses „Kunstwerk“ genannt. Es ist insofern künstlich, als es ein Phänomen auf einem technischen Gerät darstellt. Man sieht hier einen Ausschnitt aus einem Smartphone-Display. Ich hatte dieses mit einem feuchten Finger berührt und wurde durch ein Glitzern auf die hinterlassene Struktur aufmerksam. Von Nahem zeigte sich dann das, was auf dem Foto zu sehen ist.  Die vom Finger auf das Display flächenhaft übertragene Feuchtigkeit hatte sich zu winzigen Tröpfchen umgeformt. Offenbar konnte auf diese Weise Grenzflächenenergie des Wassers mit dem Glas des Displays einerseits und der Luft andererseits eingespart und an die Umgebung abgegeben werden. Denn die Natur strebt dazu unter den gegebenen Umständen immer so viel Energie wie möglich zu entwerten.
Die Farben kommen dadurch zustande, dass das Display ein Gitter enthält, an dem das einfallende Licht der Umgebung auf vielfältige Weise gebeugt und dadurch in Spektralfarben zerlegt wird.
Das kleine Phänomen zeigt einmal mehr, dass sich vieles unterhalb der normalen Wahrnehmungsschwelle abspielt, das uns normalerweise entgeht.

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Rätselfoto des Monats Mai 2019

Warum dominiert die Kreisförmigkeit?


Erklärung des Rätselfotos des Monat April 2019

Frage: Was schwant uns hier?
Antwort: Die Frage ist zugegebenermaßen nicht ganz präzise und eines physikalischen Phänomens unwürdig gestellt. Die Rechtfertigung besteht darin, dass das Foto auch nicht ganz ernst zu nehmen ist, weil es absichtlich auf den Kopf gestellt wurde. Das haben einige der Kommentaroren auch bemerkt. Dieser Gag wird zum einen dadurch gerechtfertigt, dass das Foto am 1. April gezeigt wurde und zum anderen dadurch, dass man auf diese Weise vielleicht auf eine Diskrepanz stößt: Denn mit der Farbsättigung des weißen Gefieders des Schwans stimmt etwas nicht. Es kann nicht sein, dass die Spiegelung im Wasser eine größere Lichtintensität aufweist als der reale Schwan. Schließlich wird nur ein Teil des auf dem Wasser auftreffenden Lichts in Abhängigkeit vom Einfallswinkel reflektiert; der Rest wird vom Wasser absorbiert.
Die Intensität des weißen Lichts, das direkt vom Gefieder diffus reflektiert wird, ist sogar so groß, dass wir es mit einer Irradiation (Überstrahlung) zu tun haben. Auf diese Weise verschwinden Konturen, die durch Schattierungen hervorgerufen werden. Daher sind in der wesentlich geringeren Lichtintensität, die vom gespiegelten Schwan ausgehen, die Strukturen zu erkennen, die beim realen Schwan überstrahlt wurden.
Eine weitere Konsequenz der Bildverkehrung ist in dem unnatürlich wirkenden Wasserberg zu sehen, der in Wirklichkeit aus der durch den schwimmenden Schwan erzeugten Bugwelle besteht.
Wer sich davon überzeugen möchte, wie das korrekt gedrehte Foto wirkt, sollte vor dem Bildschirm einen Hand- oder Kopfstand machen :-). Aber irgendwie habe ich auf dem Kopf stehend dass Gefühl, dass es noch eine einfachere Möglichkeit geben müsste; wenn es mir gelänge in dieser ungewöhnlichen Lage einen klaren Gedanken zu fassen. Naja, immerhin hat man als Nebeneffekt eine kleine sportliche Übung als Ausgleich für das ungesunde Vor-dem-Bildschirm-hocken.
Ich habe mich darüber gefreut, dass mehrere Blogfreunde*innen das Problem im Prinzip und weniger wortreich gelöst haben oder der Lösung sehr nahe waren.

 

 

Rätselfoto des Monats Februar 2019

Wie kommt es zu dieser „Schneerolle“?


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Wasser wie Quecksilber auf trockenem Boden

Seit langem wundere ich mich darüber, dass entgegen sonstiger Erfahrungen der ausgetrocknete Boden im Garten oder anderswo sich weigert, das Wasser gewissermaßen lustvoll aufzunehmen, das ihm nach der langen Trockenheit nunmehr großzügig zugeführt wird. Das Wasser läuft über den trockenen Boden hinweg wie Quecksilber über eine glatte Oberfläche, will sagen: Der Boden ist wasserabweisend, hydrophob. Das widerspricht anderen Erfahrungen: Ist der Boden auch nur ein wenig feucht, nimmt er das zugeführte Wasser begierig auf. Auch trockener Sand am Strand oder in der Sandkiste liebt das Wasser, ist hydrophil.
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Blätter sind auch nur Menschen

Kein Mensch gleicht dem anderen. Das könnte man mutatis mutandis auch für abgeworfene Blätter sagen. Wie die Menschen lieben auch sie die Gesellschaft und tun sich zu größeren Ansammlungen zusammen. Anders als der Mensch, der dazu meist einen fahrbaren Untersatz benötigt, nutzen sie den Wind. Natürlich gibt es immer einige einsame Wölfe, die sich abseits der großen Masse halten. Weiterlesen

Wäsche im Wind

solare_waescjetrocknung_rvTollt der Wind über Feld und Wiese,
Hat seinen Spaß er überall,
Aber am liebsten neckt er die Liese
Mit einem tückischen Überfall.

Will sie ihr Zeug auf die Leine bringen,
Zerrt er: Liese, dies Hemd ist mein!
Um jedes Laken muss Liese ringen,
Jedes Stück will erobert sein. Weiterlesen

Die Unumkehrbarkeit von Ringwellen

Stein_Ringwellen_rvJeder hat Erfahrungen mit größer werdenden Kreisen. Dafür genügt es schon, daß er Zeuge war, wie ein Stein in ein Wasserbecken fiel. aber niemand hat Kreise gesehen, die vom Horizont ausgegangen und in ihrem eignen Mittelpunkt verschwunden sind.

Caillois, Roger (1913 – 1978): Steine. München 1983.

An einem scheinbar rein mechanischen Beispiel kommt in dieser schlichten Feststellung die Irreversibilität natürlicher Vorgänge zum Ausdruck. Irreversibiltität als Ausdruck des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik gilt nicht nur in der Thermodynamik im engeren Sinne. Vielmehr ist die reibungsfreie Mechanik, wonach die Ringe am Ufer reflektiert wieder zurückkommen  und der Stein wieder aus dem Wasser hochschnellt, eine extreme Idealisierung der Wirklichkeit – ohne die allerdings die Entwicklung einer quantitativen physikalischen Beschreibung der Welt im neuzeitlichen Sinne nicht möglich und denkbar wäre. Erst vor dem idealen Hintergrund einfacher physikalischer Gesetzmäßigkeiten lässt sich die wirkliche Welt in definierten Abweichungen von der Idealität physikalisch beschreiben.

Winzige Tröpfchen ganz groß

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaften 7 (2018), S. 62 – 63

Kleinste Flüssigkeitskugeln entstehen von selbst,
wenn man ihnen nur auf die richtige Weise Energie
zur Verfügung stellt.

Der Sturm fängt das aufsprühende Wasser
auf und treibt es in breiten Nebelgardinen an
der Flutlinie entlang
Harry Mulisch (1927 – 2010) Weiterlesen

Können Tropfen Tropfen haben?

Die Situation ist an sich trivial. Ich habe wegen leichten Nieselregens den in der Reparatur befindlichen Balkon mit einer transparenten Folie abgedeckt. Nach und nach wurde er mit kleinen Tröpfchen bedeckt, die sich je nach gegenseitiger Attraktivität* allmählich zu größeren Tropfen zusammenfinden und  den unebenen Gegegebenheiten der Folie entsprechend zuweilen längliche Gebilde darstellen. Nur eines tun sie nicht: sie bilden keinen Supertropfen, der die ganze Folie gleichmäßig bedeckt. Vielmehr wahren sie den Abstand soweit die Bedingungen es erlauben. Weiterlesen

Oszillierende Teestrahlen

Wer beim Eingießen von Tee oder Kaffee den Flüssigkeitsstrahl ins Visier nimmt, könnte sich über eine oszillierende Struktur des Strahls wundern. Dass ein Flüssigkeitsstrahl dazu tendiert, zwischen zwei verschiedenen Querschnitten, einem breiten und einem schmalen hin- und her zu schwingen, ist mir zum ersten Mal in Marrakech aufgefallen, als mir bei einer Einladung der traditionelle Minztee eingeschenkt wurde. Weiterlesen

Physik und Literatur am Beispiel Arno Schmidts

Der Schriftsteller Arno Schmidt (1914 – 1979) nimmt kein Blatt vor den Mund. Seine oft bissige Art auch Schriftstellkollegen wegen deren Unzulänglichkeiten bei naturwissenschaftlichen Fragen zu  kritisieren, findet man wohl kein zweites Mal in der Belletristik . Weiterlesen

Säulen der Erde

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 10 (2017), S. 68 – 69

Wenn Lava erstarrt, erzeugen Spannungen im abkühlenden Basaltgestein ein Netzwerk von Rissen. Die Spalten formen tiefe Säulen mit einem faszinierend regelmäßigen, meist sechseckigen Querschnitt. Weiterlesen

Tropfenbahnen am Fenster

Was bleibt einem nach einem verregneten Sommer anderes übrig, als den wässrigen Erscheinungen auch etwas Positives abzugewinnen. So bemerke ich beispielsweise zu Beginn eines neuen Regenschauers, dass die ersten Tropfen sich oft perlenkettenartig auszurichten scheinen, wie auf dem Foto zu sehen. Später wenn die Anzahl der Tropfen überhand nimmt, geht dieses Phänomen im Tropfengedränge unter. Weiterlesen

Licht stirbt den Wärmetod

lichttod_lichtschatten101_2Die Löschung des Lichtes zu Hitze ist sein eigentlicher Tod.
Alles Licht, das durch Materie gelöscht wird, die sich dabei erwärmt,
ist gestorben und der Schatten ist die Spur, welche sein Tod hinterlässt.

Alfred Schmidt (1931 – 2002).

Eine sehr schöne anthropomorphe Umschreibung der Absorption von Licht durch einen Gegenstand. Im Allgemeinen wird nicht alles Licht, das auf einen Körper auftrifft in Wärme verwandelt. Dies ist nur bei einem absolut schwarzen Körper der Fall. Ein im Licht stehender Gegenstand nimmt normalerweise einen Teil des auftreffenden Lichts auf und gibt einen Teil des Lichts, meist in einer bestimmten Farbe wieder ab. Indem wir dieses Licht aufnehmen, sehen wir den Gegenstand. Hinter dem Gegenstand entsteht je nachdem ob der Körper lichtdurchlässig oder undurchlässig ist ein mehr oder weniger ausgeprägter Schatten.
Die Umschreibung der Umwandlung von Licht in Wärme (bei Umgebungstemperatur) durch den Tod bringt auf ausdruckstarke Weise die Irreversibilität dieses Vorgangs zum Audruck. Denn die entstehende Wärme wandelt sich nicht von selbst wieder in sichtbares Licht zurück, obwohl die Energie dazu vorhanden wäre.

Guttation – ein Notfallprogramm der Pflanzen

Guttation_rvIm Frühtau findet man die Blätter von Pflanzen häufig mit winzigen Tröpfchen besetzt: Tautropfen. Sie entstehen dadurch, dass durch die Abkühlung in der Nacht der Taupunkt unterschritten wird: Weil die maximale Feuchtigkeit mit der Temperatur abnimmt, wird sie kleiner als die absolute Feuchtigkeit, sodass der überschüssige Wasserdampf zu kleinen Tröpfchen kondensiert. Weiterlesen

Física de las telarañas

Schlichting, H. Joachim. Investigación y Ciencia Mayo 2017 Nº 488

La seda de estos arácnidos debe algunas de sus asombrosas propiedades a un revestimiento líquido. Este ayuda a preservar la estructura de la telaraña y, al mismo tiempo, contribuye a tensar los hilos.

Las telas de araña pueden provocar reacciones opuestas. En ocasiones, sus pegajosos hilos nos causan repugnancia, como cuando descubrimos grandes nidos de polvo en las esquinas de una habitación o cuando se nos quedan enganchados al tocarlos. En otras, en cambio, la estética de una telaraña circular perfectamente tensada puede resultar cautivadora. Así ocurre cuando las vemos cubiertas de rocío o cuando despliegan un iridiscente juego de colores a la luz del sol.
Hace decenios que los científicos se interesan por este sorprendente material. ¿Qué lo hace tan elástico y, al mismo tiempo, tan estable? Hay dos razones por las que resulta tan difícil quitar las telarañas: son pegajosas y muy extensibles. Como veremos, ambas propiedades se encuentran estrechamente relacionadas.
Collares de perlas microscópicos
Las arañas construyen su tela a partir de una solución (secreción de espidroína, una especie de cristal líquido) que expulsan de su abdomen. En contacto con el aire, la mezcla se solidifica de inmediato y da lugar a una fibra extraordinariamente resistente. Las arañas pueden producir diferentes tipos de hilo en función del uso que vayan a darle. Para la estructura básica de la tela, numerosas especies, como la araña de jardín europea, tejen hilos radiales. Estos son muy rígidos y enseguida se comban si acercamos sus extremos, aunque solo sea en un pequeño porcentaje.
Sobre esta estructura radial, la araña fija a continuación una espiral fabricada con un «hilo de captura». Al contrario que los primeros, este seguirá estando tenso incluso si lo contraemos hasta un 5 por ciento de su longitud original. Esta propiedad resulta óptima para capturar presas, ya que incluso aquellos insectos que choquen contra la telaraña a gran velocidad solo la deformarán, en lugar de romperla. Por otro lado, que no resbalen por la malla ni sean catapultados en sentido opuesto, como en una cama elástica, se debe a otra importante característica de los hilos de captura: se hallan cubiertos de diminutas gotitas adhesivas, las cuales retienen cruelmente a la presa y evitan que escape. Esos puntos adhesivos se distribuyen a lo largo del hilo a intervalos muy regulares, como las perlas de un collar. Sin embargo, no es la araña la que debe encargarse de disponerlos de esa forma: el ribete de gotitas se crea de manera espontánea por pura necesidad física

PDF: Física de las telarañas

Diesen Beitrag gibt es auch in Deutsch.

Verfall – Spuren der Zeit

entblaettern_rvDinge werden durch die Zeit beeinträchtigt, in dem Sinne wie wir zu sagen pflegen, daß die Zeit die Dinge zerbröckelt, und daß alles durch die Zeit altert und durch den Zeitablauf in Vergessenheit gerät. Aber wir sagen nicht, daß wir durch die Zeit gelernt haben, oder daß etwas durch sie neu oder schön geworden ist, denn wir sehen die Zeit an sich eher als Ursache des Verfalls an… Weiterlesen

Glaubst du, alles bliebe?

Zerfall-1_rvDoch! wie bald
Welket Schönheit und Gestalt!

Wilhelm Hauff (1802 – 1827) Weiterlesen

Neugierige Blasen auf dem Teich. Was glotzt ihr?

Augen_aus_Blasen_rvIch sitze am Teich und lese. Plötzlich spüre ich, dass mich jemand beobachtet. Es ist aber weit und breit keiner da – bis auf einige Blasen auf der Wasseroberfläche, die mich anzuglotzen scheinen. Als ich mich nähere, scheint mich ihr Blick simultan zu verfolgen. Es ist mein Spiegelbild auf den glänzenden Hemisphären aus sphärisch gespanntem Teichwasser, das – wie ich mich auch drehe und wende – wie die Pupillen mich fixierender Augen immer genau auf mich ausgerichtet ist. Weiterlesen

Seifenblasenpingpong

Seifenblasentrampolin_rvping pong

­            ping pong ping

­            pong ping pong

­                                  ping pong

Eugen Gomringer (*1925) Weiterlesen

Wie sich Spinnennetze spannen

Wie-sich-Spinnnennetze-spanSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft  3  (2016), S. 46 – 47

Einige seiner erstaunlichen Eigenschaften verdankt der Spinnenfaden einer Flüssigkeitshülle. Diese hält das Seidengeflecht in Form und macht es zugleich elastisch. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Oktober 2015

117_Farben-schwingenden-SeiBewegte Farben – wie entstehen sie? Gesehen im Science Center Phaeno

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Tropfenbelastete Pflanzen

Das Schwimmgleichgewicht energetisch betrachtet

Schiff_AuftriebSuhr, Wilfried; Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 67/1 (2014) 23 – 26

Wenn man sich mit schwimmenden Gegenständen befasst, beschränkt man sich meistens auf den Endzustand eines Vorgangs, bei dem das aus Flüssigkeit und Gegenstand bestehende System bereits ins Gleichgewicht gelangt ist. Aus der in der vorliegenden Arbeit eingenommenen energetischen Perspektive rückt dagegen dieser Vorgang selbst in den Blick, wobei diese Art der Erschließung völlig auf den Druckbegriff verzichten kann. Neben einer allgemeinen qualitativen Erörterung des Problems  werden einige konkrete Beispiele quantitativ beschrieben.

PDF: Kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Chaotische Tropfenproduktion

Lano Geburtstag TropfenZur Feier des Tages soll auch mal ein Experimentator zu Wort bzw. Bild kommen (Worte kommen später), dem es gelingt, mit kreativer Hand aus dem Seifenschaum baumartige Gewächse zu schlagen. Man beachte, dass die aus dem Schaum geborenen Gebilde dabei sind, einen runden „Kopf“ auszubilden. Offenbar lassen sie es sich auch in einer solchen chaotischen Situation nicht nehmen, so viel Energie wie unter den gegebenen Umständen möglich an die Umgebung abzugeben, indem sie dort wo sie können, an der Spitze, beginnen die Oberfläche so klein wie möglich zu machen, also eine Kugel anzustreben.

Dort wo die Spritzer klein sind, bilden sich sogar fast perfekte Schaumkugeln aus, die ihr kurzes Dasein auch noch durch Schatten bekräftigen. Seit Peter Schlemihl wissen wir ja, dass man ohne Schatten so gut wie nichts ist.

Wir wünschen Lano, dass sich seine kreative Virtuosität im kommenden Jahr auf weitere Elemente ausdehnt.

 

Lautlose Explosionen

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 44/3 (2013), S.Clip_135 52-53

Bleiben Sie gelassen, wenn sich Rotwein über das weiße Tischtuch ergießt. Denn dabei können Sie einen komplexen Strukturbildungsprozess studieren.

Betrachte die Flecken an der Wand,
die Asche im Ofen,
die Wolken oder den Rinnstein
Beim genauen Beobachten
wirst du dort wunderbares
entdecken.
Leonardo da Vinci (1452 – 1519)

Laulose Explosionen

Gleich und gleich gesellt sich gern

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/8 (2012), S. 49-51

Objekte, die auf Wasseroberflächen schwimmen, verhalten sich oft unerwartet. Verantwortlich dafür sind die beteiligten Grenzflächenenergien.

Vielleicht ist viel mehr an der Oberfläche –
vielleicht ist alles falsch, was nicht Oberfläche ist?
Elias Canetti (1905 – 1994)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/gleich-und-gleich-gesellt-sich-gern/1155296

Was das Feuer am Leben hält

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/12 (2011), S. 44 – 45

Damit eine Kerzenflamme ruhig brennen kann, müssen zahlreiche komplexe Vorgänge perfekt aufeinander abgestimmt sein.

In der Flamme sind alle Naturkräfte tätig.
Novalis (1772 – 1801)

Die gute alte Kerze hat alle Neuerungen der Beleuchtungstechnik überstanden. Gerade auch in der Adventsund Weihnachtszeit, wenn die Tage kürzer werden, setzt sie Zeichen der Hoffnung, der Freude und des Lebens. Was aber denkt sich der Physiker bei ihrem Anblick? Ihn beeindruckt über all das hinaus der Kontrast zwischen der Einfachheit der ruhig vor sich hin brennenden Flamme und dem, was unsichtbar bleibt: dem komplexen Zusammenspiel physikalischer, chemischer und technologischer Vorgänge, die das Phänomen erst möglich machen.
Die Kerzenflamme, so beständig sie erscheint, ist Ergebnis eines äußerst bewegten Mikrogeschehens: In jedem Moment verlassen Teilchen verglühend den klar umgrenzten Bereich der Flamme und werden durch neu erglühende Teilchen ersetzt. Rein energetisch betrachtet ist die Flamme der sichtbare Teil einer „dissipativen Struktur“ (Ilya Prigogine), eines von Energie und Materie durchströmten Systems fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht. Aufrechterhalten wird die Flamme durch die Dissipation von Energie: Sie nimmt hochwertige chemische Energie und Materie in Form von Kerzenwachs und Sauerstoff auf und gibt im Gegenzug Wärme und Gase an die Umgebung ab. Energie- und Materieströme bleiben dabei im zeitlichen Mittel konstant. Warum klappt das so gut? Oder etwas technischer gefragt: Wie kommt es zu dieser eindrucksvollen Selbstorganisation gut aufeinander abgestimmter Vorgänge?
In der Regel wird eine Kerze mit Hilfe einer anderen Flamme entzündet. Das im Docht enthaltene erstarrte Wachs beginnt dabei zu schmelzen und zu verdampfen. Schließlich erreicht es eine so hohe Temperatur, dass es mit dem Sauerstoff der Luft reagiert und verbrennt, wobei Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid entstehen. Außerdem wird Energie frei, die als Bewegung, Wärme und Licht der Flamme in Erscheinung tritt. Danach geht alles wie von selbst. Dank der von der Flamme ausgehenden Wärmestrahlung sorgt »das System« eigenständig für Nachschub an Brennstoff. Von der Hitze flüssig gehalten steigt das Wachs durch die Kapillaren des Dochts nach oben. Gleichzeitig schmilzt die Flamme einen schüsselförmigen Brennstofftank in das obere Ende der festen Kerzensubstanz und füllt ihn mit Vorrat. Auch der Tank erneuert sich ständig, wenngleich man ihm das nicht ansieht: Das feste Wachs, aus dem seine Wand besteht, schmilzt in genau dem Maß, in dem der Docht flüssiges Wachs ins Reaktionszentrum der Flamme transportiert. Erst dort, am oberen Ende des Dochts, verdampft und verbrennt das Wachs schließlich. Denn das flüssige Wachs im Docht liefert die zur Verdampfung nötige Wärme, wodurch seine eigene Temperatur unterhalb des Siedepunkts gehalten wird.

Der Docht neigt sich zur größten Hitze
Probleme gäbe es erst, wenn der Docht zu lang würde. Dann wäre das Gleichgewicht zwischen Brennstoff- und Sauerstoffzufuhr gestört, und die Kerze begänne zu rußen. Doch auch in dieser Hinsicht organisiert sich die Flamme selbst. Weil die brennende Kerze kürzer wird und der heiße Saum der Flamme sich mit ihr nach unten bewegt, schiebt sich der Docht kontinuierlich in die Hitzeregion hinein. Dort verkohlt und verdampft seine Spitze, was seine Länge konstant hält. Zudem kippt der biegsame Docht, je länger er wird, zur Seite weg und damit genau in den bestens mit Sauerstoff versorgten Bereich der Flammenoberfläche. Hier ist die Flamme rund 1400 Grad Celsius heiß, und hier beginnt der Docht auch zu glühen.Kerze_Funktion
Selbst die elegante, stromlinienförmig nach oben gezogene Gestalt der Flamme ist keine bloße Laune der Natur. In ihr wird ein Konvektionsvorgang sichtbar, der für die Funktion des Systems wesentlich ist. Die Temperatur der heißen Flamme sorgt für eine im Vergleich zur Umgebungsluft geringe Dichte der Verbrennungsgase. Der entstehende Auftrieb lässt diese zügig aufsteigen, was Platz schafft für die von unten nachströmende sauerstoffreiche Frischluft. Dieser Vorgang ist für den Fortgang der Verbrennung ebenso wichtig wie der Wachsdampf selbst. Die heißen Gase steigen in einem schmalen Schlauch auf. Das spürt man schon mit bloßen Fingern, es geht aber auch gefahrloser. Stellt man die brennende Kerze ins helle Sonnenlicht, bildet dieses den Schlauch an der dahinterliegenden Wand ab (oben). Denn beim Übergang zwischen kalter Umgebungsluft und heißen Verbrennungsgasen ändert sich schlagartig der Brechungsindex. Ein Teil des Lichts, welches durch das Innere des Schlauchs fällt, wird nach außen abgelenkt und überlagert sich mit dem nicht abgelenkten Licht zu einem schmalen, hellen Band.
Da die Konvektion in der Schwerelosigkeit nicht funktioniert, kämen Raumfahrer nie in den Genuss einer normalen Kerzenflamme. Was aber sähen sie stattdessen? Fixieren Sie einfach eine brennende Kerze in einem durchsichtigen Gefäß und werfen Sie dieses einem (guten) Fänger zu. Während des Flugs sehen Sie, wie die Flamme zu einer winzigen, blau leuchtenden Lichtkugel zusammenschrumpft. Weil unter diesen Bedingungen die Konvektion wegfällt, wird die Flamme nämlich nur über die vergleichsweise langsam ablaufende Diffusion mit Sauerstoff versorgt.
Die Hartnäckigkeit, mit der eine Kerzenflamme allen Störungen zum Trotz stets wieder dieselbe Größe einnimmt, beruht auf nichtlinearen Rückkopplungsvorgängen. Wächst die Flamme, muss ein entsprechend größeres Volumen mit Sauerstoff und Wachs versorgt werden. Da das Volumen mit der dritten Potenz der Flammengröße zunimmt, gilt dies auch für das Volumen der zu- und abgeführten Gase. Der Nachschub an Gasen erfolgt aber zwangsläufig durch die äußere Grenzschicht der Flamme, die ihrerseits nur mit dem Quadrat der Flammengröße variiert. Berücksichtigen wir nun noch, dass die Geschwindigkeit, mit der die Gase nachströmen, nicht beliebig groß werden kann, ist dem Flammenwachstum zwangsläufig eine Grenze gesetzt. Dies gilt auch umgekehrt. Verkleinert eine vorübergehende Störung die Flamme, sind auf einmal mehr Verbrennungsgase vorhanden, als benötigt werden. So kann das Gebilde wieder wachsen, bis erneut ein stationäres Gleichgewicht erreicht ist.
Doch warum leuchtet die Flamme überhaupt? Bei der Reaktion von Wachsdampf und Sauerstoff wird auf kleinstem Raum so viel Energie frei, dass die meisten Gasatome in Elektronen und Atomrümpfe – kurz: in ein Plasma – zerlegt werden. Die Natur strebt aber nach Zuständen minimaler Energie. Die Teilchen versuchen also, wieder Gasatome zu bilden, und entledigen sich ihrer überschüssigen Energie durch Aussenden von Lichtteilchen.
Weit wichtiger für die Kerze als Lichtquelle ist aber ein anderer Effekt. Im Inneren der Flamme klappt es mit dem Sauerstoffnachschub nicht mehr so gut. Wie die Farben zeigen (Foto linke Seite), nimmt die Temperatur darum allmählich ab, bis sie in unmittelbarer Dochtnähe noch lediglich 600 bis 800 Grad Celsius beträgt. Das verdampfende Wachs verbrennt dort nur unvollständig. Der nicht verbrannte Kohlenstoff lagert sich zu Rußteilchen zusammen, die mit den Abgasen nach oben steigen und in dem weiß erscheinenden Bereich der Flamme bei etwa 1200 Grad Celsius zu glühen beginnen. Vor allem diesem Glühen ist es zu verdanken, dass die Kerze so hell leuchtet! Eine chemische Unvollkommenheit – schlechte Verbrennung – trägt also wesentlich zu ihrer technologischen Vollkommenheit bei. Es sind übrigens auch genau diese Rußteilchen, die Licht absorbieren und daher der Flamme selbst zu einem Schatten verhelfen.
Ist Ihnen aufgefallen, dass die Stoffwechselvorgänge der Kerze denen von Pflanzen und Tieren überraschend ähneln? In beiden Fällen sind es die Aufnahme von Sauerstoff und Nährstoffen sowie die Abgabe von Wasser, Kohlenstoffdioxid und anderen Substanzen, welche für den Fortbestand der Systeme sorgen. Das haben schon die Dichter erkannt: »Der Baum ist nichts anderes als eine blühende Flamme«, formulierte etwa Novalis. Manchem diente die Metapher sogar als Bild für das Leben schlechthin: »Das, was sich in der Schöpfung Leben nennt«, schrieb Johann Gottfried Herder, »ist in allen Formen und allen Wesen ein und derselbe Geist, eine einzige Flamme.«

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/was-das-feuer-am-leben-haelt/1124690

Paradoxe Federn aus dem Blickwinkel des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik

Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 57/2  (2004) S. 78 – 80.

Situationen, die unsere Anschauung auf Kollisionskurs bringen, verweisen oft auf eine tiefe physikalische Einsicht, auch wenn sie sich als so genannte Paradoxa in die Lehrbuchliteratur eingeschrieben haben. Man denke nur an das hydrodynamische und hydrostatische Paradoxon, an das GIBBsche und an das Uhrenparadoxon, um nur einige zu nennen. Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere in diesem Sinne paradoxe Situationen in der Physik, ohne dass sie zu
einer entsprechenden Namensgebung gelangt wären. Diese zuweilen in Form eines Rätsels oder einer Denksportaufgabe gekleideten Herausforderungen der lebensweltlichen Intuition sind oft von didaktischem
Nutzen, weil sie physikalische Überzeugungen auf die Probe stellen und zu physikalischen Argumentationen anregen.

Manche derartig paradox erscheinende Situationen lassen sich mit Hilfe des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik aus der Welt schaffen und helfen dabei, mit der Universalität dieses Prinzips vertraut zu werden. Als Beispiel sei an die nur mechanische Sachverhalte betreffende Frage erinnert, um wie viel die
Energie des Wassers in einem Gefäß abnimmt, wenn man das Gefäß an der tiefsten Stelle mit einem gleichgroßen leeren zweiten Gefäß verbindet [1]. Wenn man das Problem nicht schon kennt oder aufgrund der vermeintlichen Trivialität Verdacht schöpft, tappt man unweigerlich in die Falle.

PDF: Paradoxe Federn aus dem Blickwinkel des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik

Von der Energieentwertung zur Entropie

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften / Physik 49/2, 7-11 (2000).

Zur physikalischen Beschreibung der lebensweltlichen Energie sind zwei komplementäre physikalische Konzepte nötig: Energie und Entropie. Die Energie beschreibt den Erhaltungsaspekt, die Entropie den Verbrauchs- und Antriebsaspekt. Wir haben vorgeschlagen, die Entropie im Rahmen der Mittelstufenphysik vorläufig durch das (qualitative) Konzept der Energieentwertung zu ersetzen und dadurch ein weitgehendes qualitatives Verständnis der Energetik zu erreichen. Auf dieser Grundlage wird im folgenden ein Weg zu einer Quantifizierung der Energieentwertung als Entropie skizziert.

PDF: Von der Energieentwertung zur Entropie

Energieentwertung – ein qualitativer Zugang zur Irreversibilität

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften/ Physik 49/2 (2000); 2-6. 

Geht man davon aus, dass es zu den allgemeinen Zielsetzungen des Physikunterrichts gehört, ein angemessenes Verständnis der durch die Naturwissenschaften geprägten Welt zu ermöglichen, so kann sich der Unterricht nicht auf die Idealgestalten der Physik beschränken, sondern muß sich einer aktiven Auseinandersetzung mit den lebensweltlichen Erfahrungen der Schülerinnen und Schüler stellen.
Die Thermodynamik mit ihren allgemeinen Begriffen und Konzepten wie System, Zustand, Zustandsänderungen, Energie und Entropie kann dabei eine wesentliche Rolle spielen. Zwar ist schon seit längerem die Bedeutung der Energie als Brücke zwischen Physik und Lebenswelt erkannt worden. Leider beschränken sich die meisten Einführungen der Energie auf den Aspekt der Energieerhaltung. Die lebensweltlichen Erfahrungen im Umgang mit der Energie sind aber darüber hinaus vor allem durch den Energieverbrauch und den Antrieb von Vorgängen geprägt. Die Vernachlässigung, ja die bewußte Unterdrückung dieser Aspekte verhindert geradezu, dass Beziehungen zwischen physikalischen Konzepten und lebensweltlichen Erfahrungen gesehen werden.

PDF: Energieentwertung – ein qualitativer Zugang zur Irreversibilität

Von der Dissipation zur Dissipativen Struktur

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften / Physik 49/2, 12-16 (2000).

Im Rahmen des Energieentwertungkonzepts wird das Warmhalten von Tee auf einem Stövchen folgendermaßen beschrieben: Der selbsttätige Vorgang der Abkühlung des Tees auf Umgebungstemperatur wird ständig durch den Vorgang des Abbrennens der Kerze zurückgespult, so dass das Teewasser auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur eingeregelt und das System in einem stationären Nichtgleichgewichtszustand gehalten wird. Solche Nichtgleichgewichtszustände umgeben uns in großer Zahl…

PDF: Von der Dissipation zur Dissipativen Struktur

Energieentwertung und Entropie

Schlichting, H. Joachim. In: Schriften des Deutschen Vereins zur Förderung des mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterrichts e.V, Heft 61, S. 37 : Fragen der Physiklehrerausbildung, ISSN 0179-7670.

Geht man davon aus, daß es zu den allgemeinen Zielsetzungen des  Physikunterrichts gehört, ein angemessenes Verständnis der durch die  Naturwissenschaften geprägten Welt zu ermöglichen, so kann sich der  Unterricht nicht auf die Idealgestalten der Physik beschränken, sondern muß  sich einer aktiven Auseinandersetzung mit den lebensweltlichen Erfahrungen  der Schülerinnen und Schüler stellen.
Die Thermodynamik mit ihren allgemeinen Begriffen und Konzepten wie System, Zustand, Zustandsänderungen, Energie und Entropie kann dabei eine  wesentliche Rolle spielen. Zwar ist schon seit längerem die Bedeutung der Energie als Brücke zwischen Physik und Lebenswelt erkannt worden. Leider  beschränken sich die meisten Einführungen der Energie auf den Aspekt der Energieerhaltung. Die lebensweltlichen Erfahrungen im Umgang mit der Energie sind aber darüber hinaus vor allem durch den Energieverbrauch und den  Antrieb von Vorgängen geprägt. Die Vernachlässigung, ja die bewußte Unterdrückung dieser Aspekte verhindert geradezu, daß Beziehungen zwischen physikalischen Konzepten und lebensweltlichen Erfahrungen gesehen werden.

PDF: Energieentwertung und Entropie

Vergängliche Zeit

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in der Schule 32/12 (1994).

Die Sanduhr ist nicht nur ein frühes Zeitmeßinstrument, sondern auch Symbol für die mit dem Ablauf der Zeit verbundene und durch den rieselnden Sand sichtbar vor Augen geführte Vergänglichkeit des Lebens und aller mit ihm verbundenen positiven und negativen Erlebnisse, denn…

PDF: Vergängliche Zeit

Energie, Entropie, Synergie – Ein Zugang zur nichtlinearen Physik

Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 46/3, 138-148 (1993).

Energie und Entropie erscheinen nicht nur für das Verständnis und eine sachgerechte Einschätzung der Energie- und Umweltproblematik von. Bedeutung. Darüber hinaus ermöglichen diese Konzepte einen relativ einfachen Zugang zu Problemen der nichtlinearen Physik. Es wird dargestellt, wie ausgehend von lebensweltlichen Erfahrungen mit Energie und Dissipation von Energie (Energieentwertung) unter Berücksichtigung nichtlinearer Verhaltensweisen das Konzept dissipativer Strukturen eingeführt und zu einem Verständnis der unter so entgegengesetzt erscheinenden Begriffen wie Synergetik und Chaos diskutierten nichtlinearen Physik führen kann.

PDF: Energie, Entropie, Synergie – Ein Zugang zur nichtlinearen Physik

Der Entropiebegriff als Bindeglied zwischen Physik und Chemie

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: physica didactica 12/2, 35 (1985).

Die übliche Einführung der Entropie als Erhaltungsgroße bei reversiblen Vorgängen verschleiert ihre Bedeutung bei der Beschreibung alltäglicher Erfahrungen. Es wird deshalb vorgeschlagen, die Entropie als Maß für die Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) oder auch für den Antrieb natürlicher
Vorgänge wie eine Grundgröße einzuführen. Bei der völlig analogen Behandlung von chemischen Reaktionen und physikalischen Reibungsvorgängen erweist sich der so eingeführte Entropiebegriff als mögliches starkes Bindeglied zwischen Chemieund Physikunterricht. Wegen ihres weitgehend qualitativen Charakters gehört ein Teil der Überlegungen bereits in den Unterricht der Sek.I.

PDF: Der Entropiebegriff als Bindeglied zwischen Physik und Chemie

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