Physik

Kann man Wasser nur durch Schütteln zum Kochen bringen?

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Ja, das geht. – Allerdings wäre es eine sehr mühselige Angelegenheit und als Energiequelle für Glühweinpartys nicht zu empfehlen. Man müsste schon ein paar Tage lang hintereinander kräftig schütteln und dabei das Gefäß isolieren, damit es die Wärme nicht gleich wieder nach außen abgibt. Aber im Prinzip kann man Wasser wirklich durch Schütteln erhitzen. Und wenn man dieses Experiment vor 170 Jahren durchgeführt hätte, wäre man jetzt berühmt. Denn es waren just Experimente zu genau dieser Frage, die zu einem der wichtigsten Sätze der Physik geführt haben: den Energieerhaltungssatz.

Und der besagt was?

Dass sich die Gesamtmenge der Energie in einem geschlossenen System nicht ändert. Man kann also keine Energie „erzeugen“. Sondern es gibt verschiedene Arten von Energie – Bewegungsenergie, Wärmeenergie, elektrische Energie und so weiter, die man ineinander umwandeln kann. Aber in der Summe geht keine Energie verloren.

Bei der Entdeckung dieses Prinzips hat das „geschüttelte Wasser“ eine entscheidende Rolle gespielt sowie der Naturforscher Robert Mayer aus Heilbronn. Er war eigentlich Arzt und hätte sich mit Physik vielleicht gar nicht so viel beschäftigt, wenn ihm nicht ein bisschen langweilig gewesen wäre. Er hatte nämlich eine Anstellung als Schiffsarzt auf einem Überseedampfer nach Batavia; das ist das heutige Jakarta. Und auf diesem Schiff, das Wind und Wetter ausgesetzt war, machte er sich alle möglichen Gedanken über die Physik und die Naturkräfte. Er meinte zum Beispiel festzustellen, dass bei starkem Seegang das Wasser im Schnitt wärmer wäre als bei ruhiger See. Davon ausgehend überlegte er weiter, wie sich das denn so verhält mit der Reibung und der Wärme. Es war schon bekannt, dass Metallplatten warm werden, wenn man sie aneinander reibt, aber es war noch nicht so richtig klar, warum sie das tun.

Von der Idee zum Versuch

Robert Mayer hat Wasser geschüttelt und das Experiment in einem Aufsatz von 1842 beschrieben. Er schreibt leider nicht, wie viel Wasser er benutzt hat und wie lang und wie intensiv er es geschüttelt hat. Aber er schreibt, dass er es von 12 auf 13 Grad erwärmen konnte und es sich auch entsprechend ausgedehnt habe. Und das war für ihn der Schlüssel zu der These, dass mechanische Arbeit und Wärme äquivalent sind, dass sich also mechanische Arbeit in Wärme umwandeln lässt. Und er hat sogar einen ersten Umrechnungsfaktor angeführt. Mit seinen Worten:

„Es ergiebt sich, dass ... dem Herabsinken eines Gewichtstheiles von einer Höhe ca. 365 m die Erwärmung eines gleichen Gewichtstheiles Wasser von 0° auf 1° entspricht.“

Den Begriff Energie hat er dabei übrigens gar nicht verwendet. Heute würde man sagen: Wenn eine Masse von 365 Metern Höhe zu Boden fällt, wird dabei die Bewegungsenergie frei, die ausreichen würde, um die gleiche Masse an Wasser um 1°C zu erwärmen. Robert Mayer hat sich zwar ein bisschen mit dem Wert vertan, aber für eine erste Annäherung war das gar nicht schlecht. Und von dieser Überlegung aus war er einer der ersten, die einen Energieerhaltungssatz formuliert haben, ohne das Wort Energie in den Mund zu nehmen. Seine Formulierung war: „Fallkraft, Bewegung, Wärme, Licht, Elektrizität und chemische Differenz der Ponderabilien sind ein und dasselbe Objekt in verschieden Erscheinungsformen“

Aber wenn man Wasser schüttelt, entsteht die Reibung zwischen den unzähligen einzelnen Wassermolekülen. Ist es nicht ziemlich schwer zu ermitteln, wie viel Reibung da in der Summe entsteht?

Es klingt kompliziert, ist aber eigentlich simpel: Denn beim Schütteln passiert ja nichts anderes, als dass man eine äußere Kraft auf die unzähligen kleinen Wasserteilchen überträgt. Man kann das verdeutlichen an einem anderen Experiment, das ein Engländer ein Jahr nach Robert Mayer durchgeführt hat: Der hat klar definierte Gewichte zu Boden sinken lassen und über ein Gewinde damit ein Gefäß mit Wasser zum Drehen gebracht – er hat das Wasser also gerührt und nicht geschüttelt.

Und gerade weil die Wasserteilchen sich dauernd aneinander reiben, entsteht nicht nur Wärme, sondern das Wasser kommt auch irgendwann wieder zum Stillstand. Man muss jetzt aber nicht die Bewegung und die Reibung jedes einzelnen Wasserteilchens ausrechnen, sondern es ist klar: Die von außen zugeführte Kraft der Gewichte hat sich auf die Bewegung der vielen Wasserteilchen verteilt, und wenn die zum Stehen gekommen sind, ist deren Bewegungsenergie wiederum in Reibungsenergie, sprich Wärme übergegangen. Dieser englische Physiker, der dieses etwas genauere Experiment durchgeführt hat, war übrigens James Prescott Joule – Namensgeber der heute international gültigen Maßeinheit für die Energie.