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DIE WÄRME, DIE BEI DER UMWANDLUNG VON WASSER IN DAMPF VERSCHWINDET, IST NICHT VERLOREN

JOSEPH BLACK (1728–1799)

IM KONTEXT

GEBIET

Chemie und Physik

FRÜHER

1661 Robert Boyle untersucht die Isolierung von Gasen.

1750er-Jahre Joseph Black wiegt die Substanzen vor und nach chemischen Reaktionen und entdeckt das Kohlendioxid.

SPÄTER

1766 Henry Cavendish isoliert Wasserstoffgas.

1774 Joseph Priestley isoliert Sauerstoff und andere Gase.

1798 Der britische Physiker Benjamin Thompson behauptet, Wärme entstehe durch die Bewegung von Teilchen.

1845 James Joule untersucht die Umwandlung von Bewegung in Wärme und behauptet, eine bestimmte Menge mechanischer Energie erzeuge dieselbe Menge von Wärmeenergie.

Black war Medizinprofessor, lehrte aber auch Chemie. Allerdings veröffentlichte er seine Ergebnisse nur selten auf die übliche Weise, sondern berichtete in seinen Vorlesungen davon. Seine Studenten waren also an vorderster Forschungsfront.

Unter Blacks Studenten waren auch mehrere Söhne von schottischen Whiskybrennern, die sich Sorgen über ihre Betriebskosten machten. Warum, so fragten sie, war das Brennen von Whisky so teuer, wo sie doch nur ihre Maische zum Kochen brachten und dann den Dampf kondensierten?

Eine ausgekochte Idee

1761 untersuchte Black die Wirkung von Wärme auf Flüssigkeiten. Er entdeckte, dass sich Wasser beim Erhitzen schnell auf 100 °C erwärmt. Dann beginnt das Wasser zu sieden, aber die Temperatur erhöht sich nicht weiter, obwohl das Wasser immer noch Wärme aufnimmt. Black erkannte, dass diese Wärme benötigt wird, um das Wasser zu Dampf zu machen oder – um es in modernen Begriffen auszudrücken – um den Molekülen genug Energie zur Überwindung der Kräfte zu geben, die sie in der Flüssigkeit festhalten. Da diese Wärme die Temperatur nicht ändert und einfach zu verschwinden scheint, nannte Black sie »latente Wärme« (vom lateinischen Wort für »verborgen«). Diese Entdeckung war der Beginn der Thermodynamik, also der Untersuchung von Wärme, Energie sowie der Umwandlung von Wärme in Bewegung, mit der mechanische Arbeit geleistet werden konnte.

Wasser hat eine ungewöhnlich hohe latente Wärme. Das bedeutet, es siedet lange, bevor es vollständig verdampft. Deshalb ist das Dämpfen so effektiv zum Garen von Gemüse, deshalb kann man sich an Dampf so stark verbrühen, und deshalb wird Dampf auch in Heizsystemen eingesetzt.

Eis schmelzen

So wie Wärme erforderlich ist, um Wasser zu verdampfen, braucht man auch Wärme, um Eis zu schmelzen. Die dazu benötigte Wärme wird aus der Umgebung entnommen. So kann ein Eiswürfel ein Getränk kühlen, denn die latente Wärme des schmelzenden Eiswürfels wird dem Getränk entzogen.

Zwar erläuterte Black all dies den Whiskybrennern, er konnte ihnen damit aber kein Geld sparen. Auch einem Kollegen namens James Watt, der herausfinden wollte, warum seine Dampfmaschine so ineffektiv arbeitete, erklärte er es. Daraufhin erdachte Watt den separaten Kondensor, in dem der Dampf kondensierte, ohne den Kolben und Zylinder abzukühlen. Das erhöhte die Effektivität der Dampfmaschine erheblich, und Watt verdiente ein Vermögen.

Joseph Black (sitzend) lässt sich von dem Mechaniker James Watt in dessen Werkstatt in Glasgow eines seiner dampfgetriebenen Geräte demonstrieren.

Joseph Black

Der in Bordeaux geborene Joseph Black studierte Medizin in Glasgow und Edinburgh und führte dabei die ersten Versuche zur quantitativen Chemie durch. In seiner Dissertation von 1754 zeigte Black, dass Magnesit (Magnesiumkarbonat), wenn es zu Magnesia (Magnesiumoxid) erhitzt wird, kein »feuriges Prinzip« aufnimmt, wie allgemein geglaubt, sondern stattdessen Gewicht verliert. Black erkannte, dass ein Gas dafür verantwortlich sein musste, da weder feste noch flüssige Produkte entstanden. Er nannte es »fixe Luft«, denn es musste im Magnesia fixiert sein. Er zeigte auch, dass die fixe Luft (Kohlendioxid) im Atem enthalten ist.

1756 wurde Black Medizinprofessor in Glasgow. Dort führte er historische Versuche zur Wärme durch. Er veröffentlichte die Ergebnisse zwar nicht, teilte sie aber seinen Studenten mit. Nach dem Umzug nach Edinburgh 1766 stellte er seine Forschungen ein, hielt nur noch Vorlesungen und riet in der beginnenden Industriellen Revolution zu chemischen Innovationen in Industrie und Landwirtschaft.