3. Praktische und theoretische Fortschritte auf dem Gebiete der Wärmelehre.

Während der Hauptanreiz zum Studium der elektrischen Phänomene in dem Wunderbaren und Außergewöhnlichen lag, das sich in ihnen offenbart, wandte man sich den Erscheinungen der Wärme mit wachsendem Interesse zu, seitdem man die bewegende Kraft des Dampfes kennen und verwerten gelernt hatte. Durch die Versuche Herons von Alexandrien war schon das Altertum mit den Äußerungen dieser Kraft bekannt geworden. Dazu waren seit Beginn der neueren Zeit die Bemühungen Portas und anderer gekommen. Der grundlegende Versuch, der zur Erfindung der Dampfmaschine führte, von welcher doch erst die Rede sein konnte, sobald die unter dem Namen der einfachen Maschinen bekannten Mechanismen durch den Dampf in Bewegung gesetzt wurden, rührt von Papin her. Es ist dies ein Versuch, der noch heute im elementaren Physikunterricht angestellt wird. Papin verdampfte Wasser in einem zylindrischen Gefäß, in dem sich ein luftdicht schließender, beweglicher Kolben befand (siehe Abbildung [7]). Dieser Kolben wurde beim Erhitzen durch den Dampf emporgehoben, bei einer darauf folgenden Abkühlung aber infolge des Luftdruckes wieder abwärts bewegt. Die Lösung, welche Papin gab, war indes mehr eine theoretische als eine praktisch verwertbare. Die von Papin ersonnene Vorrichtung wird uns durch seine in Abb. [7] wiedergegebene Zeichnung erläutert.

Papin veröffentlichte [52] seine Erfindung unter dem Titel: »Neues Verfahren, bedeutende bewegende Kräfte zu billigen Preisen zu erhalten«. Der erhoffte Erfolg trat erst ein, als der englische Mechaniker Newcomen auf Veranlassung der Royal Society sich mit dem Papinschen Entwurf beschäftigte. Die wesentlichste Verbesserung, die Newcomen an der atmosphärischen Maschine anbrachte, bestand in der Verbindung der Kolbenstange mit einem Balancier. Papins Bemühen war darauf gerichtet gewesen, die geradlinige Bewegung des Kolbens in eine kreisförmige umzusetzen, um auf diese Weise ein von ihm erbautes Räderboot zu treiben [53].

Abb. 7. Papins erste Dampfmaschine.

AA ist der eiserne Zylinder, BB der Kolben, DD die Kolbenstange, II der Deckel des Zylinders. Der um F drehbare Hebel EE wurde durch die Kolbenstange in Bewegung gesetzt. Eine Feder G drückt den Hebel fortwährend in eine Nut der Kolbenstange. Der Kolben besaß eine Durchbohrung, um beim erstmaligen Herabdrücken die im Zylinder befindliche Luft entweichen zu lassen. MM ist eine Stange, welche die erwähnte Durchbohrung nach dem Herabdrücken des Kolbens verschloß. Beim Erhitzen drückte der Dampf den Kolben nach oben, beim Abkühlen wirkte nur der Luftdruck. Die Maschine war also eine atmosphärische.

Technische Erfindungen von epochemachender Bedeutung lassen sich meist auf ein zwingendes Bedürfnis zurückführen. Ein solches war es auch, das eine brauchbare Dampfmaschine gerade zur rechten Zeit und an rechter Stelle ins Leben treten ließ. In England war man schon im Mittelalter auf die Schätze aufmerksam geworden, den der Boden in den mineralischen Brennstoffen enthält. In dem Maße, in welchem das Land den Schmuck seiner Wälder einbüßte, nahm der Abbau der Steinkohle an Umfang zu. Man mußte die vorhandenen Flöze bis in immer größere Tiefen verfolgen und befand sich schließlich der Unmöglichkeit gegenüber, durch Tier- und Menschenkraft die Wasserhaltung in den Gruben zu bewerkstelligen. Diesem Zwecke wurde nun im 18. Jahrhundert der Dampf dienstbar gemacht. Nach vielen mühsamen Versuchen gelang es Newcomen, im Jahre 1712 eine nach Papins Idee gebaute Maschine in Gang zu setzen. Sie machte zwar nur zehn Hube in der Minute, förderte aber schon eine Wassermenge, zu deren Bewältigung vorher 50 Pferde und die sechsfachen Kosten erforderlich waren. Bei der Maschine Newcomens (siehe Abbildung [8]) fiel wie bei derjenigen Papins dem Dampf nur die Aufgabe zu, den Kolben t emporzuheben und durch Vermittlung des Balanciers das Pumpengestänge hinabzulassen. Die weit größere bewegende Kraft, die zum Heben des Wassers erforderlich ist, rührte nicht vom Druck des Dampfes, sondern von dem nach seiner Verdichtung auf den Kolben wirkenden Luftdruck her. War nämlich der Kolben gehoben und das Ventil bei d geschlossen, so wurde der Dampf dadurch verdichtet, daß man Kühlwasser auf den Kolben goß.

Abb. 8. Newcomens Dampfmaschine.

Alsbald zeigte es sich, daß Maschinen mit geringen Undichtigkeiten, bei denen das Kühlwasser unter den Kolben trat und dadurch mit dem Dampf in unmittelbare Berührung kam, weit schneller arbeiteten. Diese Beobachtung führte dazu, daß man das Wasser absichtlich in den mit Dampf gefüllten Raum einspritzte, ein Geschäft, das zunächst einen besonderen Wärter erforderte. Später kam man auf den Gedanken, die Hähne mit dem Balancier zu verbinden, durch dessen Spiel sie fortan geöffnet und geschlossen wurden [54].

In der ihr von Newcomen gegebenen Gestalt leistete die Dampfmaschine den Kohlengruben Englands bis über die Mitte des 18. Jahrhunderts wichtige Dienste, ohne die Aufmerksamkeit der Physiker sonderlich zu erregen. Da erhielt ein junger Mechaniker namens James Watt [55], den die Universität Glasgow mit der Instandhaltung ihrer Apparate betraut hatte, den Auftrag, das Modell der Newcomenschen Maschine auszubessern. Der kleine Apparat fesselte Watt in solchem Grade, daß er sein Leben der Vervollkommnung der Dampfmaschine widmete. Als den größten Mangel erkannte er den Umstand, daß die Wände des Cylinders durch das eingeführte Wasser immer wieder abgekühlt wurden und nach jedem Hube durch den einströmenden Dampf von neuem erwärmt werden mußten. Diesen Übelstand beseitigte Watt dadurch, daß er den Dampf außerhalb des Zylinders in einem besonderen Kondensator verdichtete, so daß der Zylinder, der außerdem mit schlechten Wärmeleitern umgeben wurde, die Temperatur des Dampfes beibehielt. Durch diese Verbesserungen, die Watt im Jahre 1765 anbrachte, wurde eine beträchtliche Ersparnis an Brennmaterial erzielt. Einige Jahre später erfolgte die grundsätzliche Änderung der Maschine [56], indem Watt hochgespannten Dampf abwechselnd von beiden Seiten auf den Kolben wirken und so aus der atmosphärischen die eigentliche Dampfmaschine entstehen ließ. Weitere Verbesserungen betrafen die Anwendung von Öl und Wachs als Mittel zum Abdichten der Maschinenteile, sowie die Regelung des Ganges vermittelst des Zentrifugalpendels. Ein weites Feld für neue Anwendungen eröffnete sich, nachdem es Watt gelungen war, die geradlinige Bewegung der Kolbenstange in eine drehende umzusetzen. Nun erst konnte an eine Übertragung der Kraft auf größere Entfernungen, sowie an eine Fortbewegung von Schiffen und Wagen vermittelst der Dampfmaschine gedacht werden. Letztere wurde bald eins der wichtigsten Mittel zur Belebung des Gewerbfleißes und damit zur Förderung der gesamten Kultur.

Noch bevor James Watt am 19. August des Jahres 1819 starb, hatte Fultons Dampfschiff die Fluten des Hudson durchfurcht [57] und Stephenson seine erste Lokomotive laufen lassen. Letzteres geschah am 25. Juli 1814. Diese Lokomotive lief auf einer Kohlenbahn und zog 8 Wagen von 30000 kg Gewicht bei einer Steigung von 1 : 450. Die Geschwindigkeit betrug 6,4 km in der Stunde [58]. Schon 6 Jahre früher hatte ein anderer Engländer seinen Landsleuten eine kleine Lokomotive vorgeführt, die bei einem Dampfdruck von nahezu 3 Atmosphären 24 km in der Stunde zurücklegte und den Namen »Catch me, who can!« erhielt [59]. Trotzdem wurde erst im Jahre 1830 die erste, dem Verkehr dienende Eisenbahnlinie Liverpool-Manchester von Stephenson fertiggestellt.

Der Aufschwung, den Gewerbe, Handel und Verkehr durch Männer erfuhren, die gleich Watt und Stephenson eine auf den Grundlagen der Physik beruhende Technik schufen, kam mittelbar in stetig wachsendem Maße der Wissenschaft wieder zugute. So ließ es sich beispielsweise schon Watt angelegen sein, das vor ihm nicht bekannte Volumverhältnis des Wassers im flüssigen und im dampfförmigen Zustande zu ermitteln. Mußte es ihm doch darauf ankommen zu wissen, wie oft sein Zylinder durch das Verdampfen einer bestimmten Wassermenge mit gespanntem Dampf gefüllt werden konnte. Watt ermittelte, daß sich das Wasser bei der Umwandlung in Dampf etwa auf das 1700fache seines Volumens ausdehnt. Eine Untersuchung über die Verdichtung des Dampfes ließ Watt schon erkennen, daß die Kondensationswärme des Wasserdampfes sich auf 534 Wärmeeinheiten beläuft. Watt bediente sich nur niedriger Spannungen. Er gelangte indessen schon dazu, die Expansion des Dampfes zu verwerten. Um die Expansion verfolgen und dadurch ein Urteil über die Arbeitsleistung des Dampfes gewinnen zu können, konstruierte Watt den heute noch bei der Aufnahme von Diagrammen üblichen Federindikator.

Dem Andenken Watts wurde in der Westminsterabtei ein Denkmal mit folgender Inschrift errichtet:

Nicht um einen Namen zu verewigen,

Der dauern wird, so lange die Künste des Friedens blühen,

Sondern, um zu zeigen,

Daß die Menschheit denjenigen Ehre zollt,

Denen sie Dank schuldet,

Haben der König, seine Diener, sowie zahlreiche Edle

Und Bürger des Königreichs

James Watt dieses Denkmal errichtet.

Seinem Genie gelang es,

Auf dem Wege des Versuches

Die Dampfmaschine zu verbessern.

Er hob dadurch den Reichtum seines Vaterlandes,

Vergrößerte die Macht der Menschen

Und stieg zu hohem Range

Unter den großen Förderern der Wissenschaft,

Den wahren Wohltätern der Menschheit.

Gleich der Dampfmaschine empfing im Laufe des 18. Jahrhunderts ein zweites, aus dem Studium der Wärmeerscheinungen hervorgegangenes Werkzeug seine endgültige Gestalt. Es war das Thermometer. Wir haben die Verdienste Galileis und der Accademia del Cimento um die Erfindung dieses Instrumentes kennen gelernt [60]. Von seiner Vervollkommnung hingen die Fortschritte auf dem Gebiete der Wärmelehre in erster Linie ab. Ja, das Streben nach einer solchen Vervollkommnung allein hat eine ganze Anzahl von wichtigen Entdeckungen zur Folge gehabt. Die Mitglieder der Accademia del Cimento hatten sich bei ihren Untersuchungen zwar schon wirklicher, auf der Ausdehnung von Weingeist beruhender Thermometer, indes noch einer willkürlichen Skala bedient. Durch ein Mitglied der Accademia del Cimento [61] erfolgte 1694 der Vorschlag, den Gefrier- und den Siedepunkt des Wassers als Fixpunkte zu benutzen. Daß diese Temperaturpunkte konstant sind, erkannten gegen das Ende des 17. Jahrhunderts mehrere Forscher. So machte Halley 1693 auf die Beständigkeit des Siedepunktes aufmerksam. Noch früher war die Konstanz des Schmelzpunktes den Mitgliedern der Accademia aufgefallen. Trotzdem kamen die Florentiner Physiker nicht auf den Gedanken, diese Punkte zur Einrichtung einer Thermometerskala zu verwenden. Und ebensowenig dachten Halley und Hooke, die sich in England eingehend mit Thermometrie beschäftigten, an eine Verwendung der erwähnten Fixpunkte.

Es handelte sich zunächst darum, den Gang der Ausdehnung von Weingeist, Wasser, Quecksilber und anderen Flüssigkeiten näher zu untersuchen, eine Aufgabe, mit der sich vor allem Halley [62] befaßt hat. Als Ausdehnungskoeffizienten des Quecksilbers für eine Temperaturerhöhung vom Schmelzpunkt bis zum Siedepunkt des Wassers fand Halley 1/74. Diese Ausdehnung hielt er für so gering, daß er Bedenken trug, das Quecksilber als Thermometerflüssigkeit in Vorschlag zu bringen. Andererseits machte er darauf aufmerksam, daß die Ausdehnung des Quecksilbers die Angaben des Barometers beeinflussen müsse, ohne daß er indessen die Notwendigkeit einer Wärmekorrektur dieses Instrumentes schon hervorgehoben hätte.

Als oberen Fixpunkt brachte Halley die Siedetemperatur des Alkohols in Vorschlag, als unteren empfahl er die Temperatur tiefer Keller, weil er diese Temperatur für leichter bestimmbar hielt als diejenige schmelzender Flüssigkeiten.

Die Aufgabe, wirklich gut vergleichbare, für den wissenschaftlichen Gebrauch geeignete Thermometer zu schaffen, hat kein gelehrter Physiker, sondern ein Mann von praktischem Blick und Geschick, der Deutsche Fahrenheit, gelöst.

Fahrenheit wurde 1686 in Danzig geboren. Er kam als Kaufmann nach Holland, wo die Kunst, Glasapparate für den praktischen und wissenschaftlichen Gebrauch zu verfertigen, seit Alters in Blüte stand. Fahrenheit widmete sich dieser Kunst. Er starb in Amsterdam im Jahre 1736.

Fahrenheits Aufgabe, die er mit allen ihm zu Gebote stehenden wissenschaftlichen Mitteln, aber im geschäftlichen Interesse verfolgte, betraf die Verfertigung brauchbarer Thermometer. Seine ersten Thermometer waren mit Weingeist gefüllt und schon vor 1710 in vielen nördlichen Städten Europas in Gebrauch. Es wird berichtet [63], daß der Philosoph Christian Wolf in Halle sich über den übereinstimmenden Gang zweier Thermometer, die er von Fahrenheit erhalten hatte, nicht genug wundern konnte.

Fahrenheit hatte gelesen, daß die Höhe der Quecksilbersäule im Barometer von der Temperatur abhängig sei. Dies brachte ihn um 1720 auf den Gedanken, das Quecksilber als Thermometerflüssigkeit anzuwenden. Seiner Skala legte er drei Punkte zugrunde:

1. Den Punkt »strengster Kälte, wie man ihn durch Mischung von Wasser, Eis und Salmiak erhält«. Er bezeichnete diesen Punkt mit Null und hielt ihn für den absoluten Wärmenullpunkt.

2. Den Schmelzpunkt des Eises, den er mit 32 bezeichnete.

3. Die Temperatur im Innern des Mundes oder die Blutwärme, auf deren Beständigkeit schon die Florentiner aufmerksam geworden waren [64]. Fahrenheit bezeichnete diesen Wärmegrad mit 96.

Wahrscheinlich hat er außerdem bei der Regelung der Skala den Siedepunkt des Wassers verwertet [65], diesen Umstand indessen, und zwar wohl aus geschäftlichen Rücksichten, verschwiegen. Fahrenheit bestimmte auch die Siedepunkte verschiedener Flüssigkeiten. Er veröffentlichte über diesen Gegenstand im Jahre 1724 eine Tafel, aus der folgende Werte mitgeteilt seien:

Alkohol	176
Reines Wasser	212
Schwefelsäure	546.

Für die untersuchten Flüssigkeiten wurden die spezifischen Gewichte genau ermittelt, damit die erhaltenen Angaben mit späteren Untersuchungen vergleichbar seien [66]. Daß für reines Wasser der Siedepunkt nach dieser Skala 212 und daß der Fundamentalabstand 180 Grade beträgt, war nicht, wie man oft meint, eine ursprüngliche Festsetzung, sondern diese Zahlen folgen erst aus den angenommenen Fixpunkten 0, 32, 96.

Die Angabe, daß der Siedepunkt des Wassers 212 Grad betrage, wird von Fahrenheit in einer Abhandlung, die gleichfalls aus dem Jahre 1724 stammt, durch eine wichtige Entdeckung eingeschränkt. Fahrenheit teilt darin [67] nämlich mit, er habe erkannt, daß jener Punkt »bei derselben Schwere der Atmosphäre fest sei, daß er sich aber bei veränderter Schwere der Atmosphäre in verschiedenem Sinne ändere«. Auch die unter dem Namen der Überkaltung bekannte Erscheinung, daß in völliger Ruhe befindliches Wasser erheblich unter den Gefrierpunkt abgekühlt werden kann, ohne zu erstarren, entdeckte Fahrenheit gelegentlich seiner thermometrischen Untersuchungen [68]. Er war, wie er erzählt, begierig zu erforschen, welches die Wirkung der Kälte sein werde, wenn man das Wasser in ein evakuiertes Gefäß bringe. Zu diesem Zwecke wurde eine Glaskugel zur Hälfte mit reinem Wasser gefüllt, luftleer gemacht und eine Nacht einer Temperatur von etwa -10° C ausgesetzt. Am folgenden Morgen bemerkte Fahrenheit, daß das Wasser noch immer flüssig war. Er schrieb dieses unvorhergesehene Verhalten zunächst der Abwesenheit der Luft zu. In dieser irrigen Annahme wurde er noch bestärkt, als er zu seinem Erstaunen beim Öffnen des Gefäßes sah, daß sich die ganze Wassermasse, unter Erhöhung der Temperatur bis zum Gefrierpunkt, mit Eisnadeln durchsetzte.

Voll Eifer setzte Fahrenheit die Untersuchung dieser wunderbaren Erscheinung fort. Zunächst stellte er sich die Frage, ob das Gefrieren auch im Vakuum zustande kommen könne. Der Versuch wurde wiederholt und das überkaltete Wasser geschüttelt, ohne daß der Luft vorher Zutritt gegeben war. Bei heftiger Erschütterung wurde auch jetzt die ganze Wassermasse fast in demselben Augenblick von Eislamellen durchsetzt [69].

Die Herstellung von Thermometern mit vergleichbaren Skalen hat auch den Franzosen Réaumur beschäftigt. Die Ergebnisse seiner umfangreichen Abhandlung sind indessen nur gering gewesen [70]. Réaumur wollte die Grade des Thermometers durch die relative Volumveränderung bestimmen, welche der Weingeist bei Temperaturschwankungen erfährt. Selbstverständlich mußte man, um vergleichbare Resultate zu erhalten, Weingeist von ganz bestimmter Konzentration nehmen. Réaumur schlug vor, für sämtliche nach seinem Verfahren hergestellte Thermometer einen Weingeist zu wählen, dessen Volumen »beim Gefrieren des Wassers 1000 und, durch siedendes Wasser ausgedehnt, 1080 Raumteile beträgt«[71]. Von diesem Vorschlage rührt die bekannte Zahl 80 der Réaumurschen Skala her.

Gelegentlich seiner thermometrischen Untersuchungen machte Réaumur die wichtige Entdeckung, daß das Volumen eines Flüssigkeitsgemisches kleiner sein kann als die Summe der Teilvolumina [72]. Réaumur machte diese Entdeckung, als er Weingeist von bestimmter Konzentration herstellen wollte, der zur Füllung seiner Thermometer bestimmt war. Als er 50 Maß Wasser mit 50 Maß reinem Weingeist mischte, erhielt er statt 100 nur 98 Maß verdünnten Weingeist. Die Raumverminderung betrug somit 1/50.

Réaumur dehnte diese Untersuchung auf die verschiedenartigsten Flüssigkeiten aus. Beim Mischen von Leinöl und Terpentinöl trat keine Raumverminderung ein; auch Milch und Wasser mischten sich ohne eine solche. Dagegen war die Raumverminderung beim Zusammenbringen von Wasser und Schwefelsäure »vielleicht die größte, welche sich erzielen läßt«. Es verbanden sich nämlich 40 Maß Wasser mit 10 Maß Schwefelsäure zu 48 Maß der Mischung. Die Volumabnahme betrug somit 1/25.

Auch auf die mit der Volumabnahme Hand in Hand gehende Wärmeentwicklung richtete Réaumur seine Aufmerksamkeit. Die Erscheinung selbst versuchte er aus der molekularen Zusammensetzung zu erklären. Er nahm nämlich an, daß zwischen den Molekülen noch Lücken vorhanden seien, welche die Moleküle einer zweiten Substanz auszufüllen vermöchten. Folgender Vergleich soll diesen Vorgang begreiflich machen: »Mischt man«, sagt Réaumur, »ein Maß Bleikugeln und ein gleich großes Maß sehr kleiner Bleikörner, so werden diese nicht zwei Maß geben. Die kleinen Körner werden nämlich die Räume einnehmen, die zwischen den großen Kugeln leer blieben, und je kleiner die kleinen Kugeln im Verhältnis zu den großen sind, um so weniger wird die Mischung an Volumen zunehmen.«

Dasjenige Thermometer, das heute in der Wissenschaft allein Geltung besitzt und auch im Leben die übrigen immer mehr verdrängt, rührt von Celsius her. Es beruht auf der scharfen Erfassung der Fixpunkte und der Einteilung des gewonnenen Fundamentalabstandes in 100 Grade. Celsius setzte den Zylinder seines Thermometers in klebrigen Schnee und vermerkte genau den Stand des Quecksilbers. Dann beobachtete er, welchen Stand das Quecksilber in siedendem Wasser bei einer Barometerhöhe von 25 Zoll und 3 Linien annimmt. Den Abstand teilte er in hundert gleiche Teile, und diese Teilung wurde über die Fixpunkte hinaus fortgesetzt [73]. Die Bezeichnung des Gefrierpunktes mit 0° und des Siedepunktes mit 100° rührt wahrscheinlich von Linné her, der in den Warmhäusern des botanischen Gartens in Upsala das Celsiussche Thermometer benutzte [74].

Während Réaumur dem Weingeist als Thermometerflüssigkeit den Vorzug gab und die Temperaturgrade der Volumzunahme seiner Thermometerflüssigkeit proportional setzte, bediente sich Celsius, wie auch Fahrenheit bei seinen späteren Versuchen, des Quecksilbers, das höhere Temperaturen zu messen gestattet. Celsius hatte auch beobachtet, daß der Siedepunkt des Wassers nur dann derselbe bleibt, wenn sich der Barometerstand nicht ändert. Bei der Anfertigung seiner Thermometer verfuhr er folgendermaßen: Er setzte die Kugel des Thermometers in schmelzenden Schnee und merkte den Stand des Quecksilbers an. Um den zweiten Fundamentalpunkt zu bestimmen, tauchte er die Kugel in siedendes Wasser, während die Barometerhöhe ihren mittleren Wert besaß. Die erhaltene Strecke wurde in hundert gleiche Teile oder Grade geteilt. Diese Gradeinteilung wurde dann von beiden Fundamentalpunkten aus nach oben und nach unten fortgesetzt [75]. Auch das Luftthermometer und das Pyrometer sind Erfindungen jenes Zeitraumes, so daß die Methoden der Messung des Wärmezustandes zu einem gewissen Abschluß gebracht wurden.

Auf den Änderungen des Volumens, welche die Luft infolge von Temperaturschwankungen erfährt, beruhte bekanntlich schon der Apparat, dessen sich Galilei zum Messen der Wärme bediente. Brauchbar war dieses Verfahren indessen erst, als es gelang, die Einwirkung der Luftdruckschwankungen entweder auszuschließen oder zu berücksichtigen. Um die Verwirklichung dieses Problems haben sich besonders der Franzose Amontons (1663-1705), der Deutsche Lambert (1728-1777) und später Regnault und Magnus Verdienste erworben.

Amontons' Luftthermometer besteht aus einer Kugel von etwa 8 cm Durchmesser. Diese Kugel ist zum Teil mit Luft, zum Teil mit Quecksilber gefüllt und mit einer etwa einen Meter langen, engen Röhre verbunden. Die Durchmesser der Kugel und der Röhre sind so gewählt (etwa 1 : 60), daß eine geringe Volumvergrößerung der Luft ein bedeutendes Ansteigen der Quecksilbersäule in der engeren Röhre bewirkt. Die Temperatur wird also bei einem solchen Instrument nicht durch die Vergrößerung des Volumens, das ja im wesentlichen dasselbe bleibt, sondern durch die Änderung der Spannkraft der eingeschlossenen Luft gemessen. Amontons berücksichtigte bei seinen Messungen noch den Barometerstand. Ferner mußte er, da er die Spannkraft der Luft als Maß der Temperatur benutzte, schon auf den Gedanken kommen, den niedrigsten Wärmegrad in dem Zustande der Luft zu erblicken, in welchem ihre Spannkraft Null ist [76]. Zählt man von diesem absoluten Nullpunkt an, so verhält sich, wie Amontons mit hinlänglicher Genauigkeit berechnet, die größte Kälte zur größten Hitze in Paris wie 5 : 6.

Abb. 9. Amontons' Luftthermometer.

Auch Lambert verwertete die Spannung der Luft zur Ermittlung der Temperaturen. Er wählte für sein Luftthermometer den Schmelzpunkt und den Siedepunkt des Wassers als Fundamentalpunkte. Setzte er dann für den Schmelzpunkt die Spannung der Luft gleich 1000, so ergab sich für den Siedepunkt in guter Übereinstimmung mit den späteren Bestimmungen von Gay-Lussac die Spannung gleich 1375, woraus als Ausdehnungskoeffizient 0,375 folgen würde [77].

Aus dem Bemühen, höhere Temperaturen zu messen, als es die gewöhnlichen Thermometer gestatten, erwuchs das Pyrometer und die Pyrometrie. Musschenbroek suchte für diesen Zweck schon 1725 die Ausdehnung der Metalle zu verwerten. Ein Metallstab wurde auf ein Gestell gelegt. Das eine Ende des Stabes war mit dem Gestell verbunden, während sich das andere Ende gegen eine Zahnstange legte. Beim Erwärmen wurde die Zahnstange infolge der Ausdehnung des Metallstabes verschoben. Die Zahnstange wirkte auf ein Zahnrad. An diesem war ein Zeiger befestigt, welcher das Maß der Ausdehnung, beziehungsweise den Wärmegrad, abzulesen gestattete [78]. Das von Wedgwood im Jahre 1782 empfohlene Pyrometer gründete sich auf dem Vermögen des Tons, in der Hitze zu schwinden, ohne sich beim späteren Erkalten wieder auszudehnen [79]. Besondere Verdienste auf diesem Gebiete erwarb sich der schon genannte Lambert durch eine 1779 erschienene Schrift, welche er »Pyrometrie oder vom Maß des Feuers und der Wärme« betitelte. Lambert bediente sich für seine Messungen, wie erwähnt, des Luftthermometers. Dehnte sich die Luft um 1/1000 desjenigen Volumens aus, das sie bei der Temperatur des schmelzenden Schnees einnimmt, so entsprach dies einem Grade seines Instruments. Der Siedetemperatur des Wassers entsprachen somit 375 Grade, da sich die Luft beim Erwärmen von der Gefriertemperatur bis zur Siedetemperatur nach Lamberts Ermittlung von 1000 auf 1375, also um 375/1000 ihres Volumens ausdehnt.

Abb. 10. Saussures Haarhygrometer.

Daß mit dem Wärmezustand der Luft ihr Vermögen, Feuchtigkeit aufzunehmen, Änderungen unterworfen ist, wurde gleichfalls in diesem Zeitraum und zwar insbesondere durch Lambert und durch Saussure festgestellt. Dem Gedanken, die Luftfeuchtigkeit zu bestimmen, sind wir schon bei Nikolaus von Cusa und Lionardo da Vinci [80] begegnet. Beide bemerkten, daß trockene Wolle die Feuchtigkeit aus der Luft anzieht. Später benutzte man als hygroskopische Substanz Schwefelsäure, die in einem Gefäß auf einer Wage tariert war (Gould 1683)[81]. Lambert wandte (1772) eine Darmsaite an; sie wurde an ihrem oberen Ende befestigt und am unteren mit einem über einer Teilung spielenden Zeiger verbunden. Zu einem erfolgreichen Abschluß kamen die Bemühungen, die Luftfeuchtigkeit mit Hilfe hygroskopischer Substanzen zu messen, erst durch die Erfindung des Saussureschen Haarhygrometers.

Horace Bénédicte de Saussure, berühmt durch seine geologische Durchforschung der Alpen und seine Besteigungen des Mont-Blanc und des Monte Rosa, bemerkte, daß ein Haar sich verlängert, wenn es feucht wird, und sich verkürzt, wenn es austrocknet. Entfettete man das Haar, so betrug die Längenänderung das Vier- bis Fünffache der an dem rohen Haar beobachteten. Diese Entdeckung führte Saussure auf die Konstruktion eines Apparates, der nebenstehend abgebildet ist (Abb. [10]). Die Einrichtung ist die folgende. Das untere Ende des Haares ab wird von dem Schraubenkloben b gehalten. Das andere Ende des Haares wird von dem Kloben a gehalten. Der obere Kloben steht mit einer horizontalen Welle d in Verbindung. Sie trägt den Zeiger und ein Gegengewicht g. Dies Gegengewicht ist etwas schwerer als der Kloben a, damit das Haar eine geringe Spannung erhält. Ferner ist das Gegengewicht an einem seidenen Faden befestigt, der sich um die Welle schlingt und sie in Drehung versetzt.

Die Graduierung des Instruments erfolgte, indem Saussure zunächst den Punkt der größten Feuchtigkeit bestimmte. Zu diesem Zwecke wurde der Apparat unter eine Glocke gebracht, die auf einem mit Wasser bedeckten Teller stand, so daß die Luft unter der Glocke sich mit Feuchtigkeit sättigen mußte. Um den Punkt der äußersten Trockenheit zu bestimmen, brachte er unter den Rezipienten geschmolzenes, stark Wasser anziehendes Alkali. Nach einiger Zeit kam der Zeiger auf einen festen, der völlig trockenen Luft entsprechenden Stand. Der Raum zwischen den beiden so erhaltenen Fixpunkten wurde in 100 gleiche Teile eingeteilt.

Saussures Hygrometer hat sich bis auf den heutigen Tag als eins der wichtigsten meteorologischen Instrumente erhalten. Es wurde samt einer Theorie der Hygrometrie von dem Erfinder im Jahre 1783 bekannt gegeben. Saussures Werk über die Hygrometrie, das Cuvier zu den besten zählte, um das die Wissenschaft im 18. Jahrhundert bereichert worden sei, erschien vor kurzem in deutscher Übersetzung [82].

Der Wärme selbst schrieben die meisten Forscher im 18. Jahrhundert gleich dem Lichte stoffliche Natur zu, eine Auffassung, welche durch die Untersuchungen von Black [83] und Wilke [84] eine Stütze zu erhalten schien. Diese Forscher hatten nämlich entdeckt, daß beim Schmelzen des Eises eine bestimmte Menge Wärme für das Gefühl verloren geht, die sich scheinbar mit dem Eise bei seinem Übergang in Wasser verbindet. So gelangte man dazu, von gebundener (latenter) und freier Wärme zu reden, Namen, die zur Erhaltung der irrtümlichen Vorstellung von der Natur der Wärme jedenfalls mitgewirkt haben und dem Emporkommen neuer richtiger Anschauungen hinderlich gewesen sind. Doch trat neben den Mathematikern Daniel Bernoulli I und Euler besonders der Chemiker Lomonossow [85] schon um die Mitte des 18. Jahrhunderts dafür ein, daß die Wärme eine innere Bewegung des Stoffes sei. Wegen der geringen Größe der die Körper zusammensetzenden Korpuskeln könne man jene innere Bewegung zwar nicht sehen, sie verrate sich aber durch zahlreiche Erscheinungen. Lomonossow nahm an, daß die Wärme in einer kreisenden Bewegung der Korpuskeln oder Teilchen bestehe. Der tiefste mögliche Wärmegrad ist ihm ein absolutes Aufhören jener Bewegung. Einen höchsten Wärmegrad könne man sich nicht vorstellen, da es für die Geschwindigkeit der Bewegung keine Grenze gebe. So in richtiger Vorahnung der späteren Entwicklung Lomonossow [86]. Die ersten Beobachtungen über die Schmelzwärme wurden gleichfalls um die Mitte des 18. Jahrhunderts gemacht. Ein französischer Forscher [87] ließ Wasser in einem Gefäß gefrieren, in das er zuvor ein Thermometer gestellt hatte. Wurde das Gefäß erwärmt, so stieg die Temperatur, bis das Eis zu schmelzen begann. Von diesem Augenblicke an blieb das Thermometer auf dem Schmelzpunkt stehen, so lange schmelzendes Eis in dem Gefäße vorhanden war. Die während dieses Zeitraums zugeführte Wärme wurde sozusagen verschluckt, gebunden oder latent.

Ähnliche Ergebnisse erhielt man beim Mischen von Eis mit Wasser. Man war zunächst von der Voraussetzung ausgegangen, daß beim Mischen von Stoffen die Temperaturen sich unter Berücksichtigung der Flüssigkeitsmengen einfach ausgleichen müßten. Danach würde es sich in solchen Fällen also nur um eine leicht zu lösende rechnerische Aufgabe gehandelt haben [88]; und es müßten, um den einfachsten Fall zu wählen, gleiche Mengen beim Mischen eine mittlere Temperatur annehmen.

Hier setzte Black ein, dessen Untersuchungen über die Eisschmelzung zu denjenigen gehören, die für das Gebiet der Wärmelehre am meisten aufklärend gewirkt haben [89]. Durch seine Untersuchungen über die Gewichtszunahme, welche die Metalle bei ihrer Verkalkung erfahren, wurde er gleich Mayow zum Vorläufer Lavoisiers. Er entdeckte, unabhängig von Wilke, die spezifische Wärme und die latente Wärme des Wassers und des Dampfes.

Blacks entscheidender Versuch war folgender. Er brachte zu einer Eismasse von 32° F eine dem Gewichte nach genau gleiche Wassermasse von 172° F. Nach der oben erwähnten Mischungsregel hätte man eine Temperatur von 102° F erwarten sollen. Trotzdem behielt die Mischung die Temperatur des Eises von 32°. Letzteres war aber völlig in Wasser umgewandelt worden.

»Das schmelzende Eis,« bemerkte Black zu diesem Versuch, »nimmt sehr viel Wärme in sich auf. Aber diese Wärme hat nur die Wirkung, das Eis in Wasser zu verwandeln. Und dieses Wasser ist um nichts wärmer, als vorher das Eis gewesen.« Black wies ferner darauf hin, daß auch beim Sieden des Wassers eine bestimmte Wärmemenge verbraucht wird, ohne daß die Temperatur sich erhöht. Er war es auch, der auf diese Vorgänge den Ausdruck »latente Wärme« anwandte.

Wenn man diesen Fortschritt in der Erfassung der Wärmevorgänge würdigen will, muß man erwägen, daß vor Black die Verflüssigung einer bis zum Schmelzpunkt erwärmten Substanz als die Folge einer sehr geringfügigen Wärmezufuhr angesehen wurde. Black erkannte auch, daß beim Erstarren einer Flüssigkeit die Abgabe einer bestimmten Wärmemenge stattfindet. Als Beweis hierfür betrachtete er vor allem das Verhalten unterkühlter Flüssigkeiten [90]. Black wies darauf hin, daß z. B. auf -4° abgekühltes Wasser beim Schütteln plötzlich teilweise fest wird, während gleichzeitig die Temperatur der ganzen Masse auf 0° steigt. Erst Black vermochte dies Verhalten genügend aufzuklären. Gleichzeitig gewannen dadurch seine Ansichten aber eine Stütze. Ist das Gefrieren des unterkühlten Wassers eingeleitet, so gefriert, wie Black sehr richtig bemerkt, so viel, daß durch die frei werdende Wärme die Temperatur der ganzen Masse bis auf 0° steigt. Ist dieser Gleichgewichtszustand erreicht, so hört die Temperatursteigerung auf, weil die Bedingung des weiteren Gefrierens nicht mehr vorhanden ist.

Die Vorstellung von der latenten Schmelzwärme dehnte Black von seinen zunächst am Wasser angestellten Beobachtungen und Versuchen auf die bei Lösungen und Kältemischungen auftretenden Wärmeerscheinungen aus. Danach nehmen die Bestandteile einer Kältemischung die zu ihrer Verflüssigung erforderliche Wärmemenge aus ihrem eigenen Wärmevorrat, wodurch ein bedeutendes Sinken der Temperatur innerhalb der Mischung veranlaßt wird.

Die Schmelzwärme des Wassers bestimmte Black mit ziemlicher Genauigkeit und auf verschiedenen Wegen zu 77-78 Wärmeeinheiten (statt 80). So wurden gleiche Mengen Wasser und Eis von 0° in zwei ganz gleichen Gefäßen in einen Raum von 20° gebracht. In der Zeit, in der sich das Wasser auf 4° erwärmte, war in dem zweiten Gefäß 1/20 des Eises geschmolzen, ohne daß die Temperatur gestiegen wäre. Trotzdem waren offenbar beiden Gefäßen die gleichen Wärmemengen zugeführt. In dem zweiten Gefäß würde danach völlige Schmelzung eingetreten sein, wenn es die zwanzigfache Wärmezufuhr erfahren hätte. Eine solche Wärmezufuhr würde, wie der Versuch mit dem ersten Gefäße zeigte, eine gleiche Wassermenge von 0° auf 80° erwärmt haben.

Black hat als erster die Methode der Eisschmelzung zur Bestimmung von spezifischen Wärmen benutzt. Er brachte die auf eine bestimmte Temperatur erwärmte Substanz in die Höhlung eines Eisblocks, verschloß sie und wog das entstandene Schmelzwasser.

Zu dem gleichen Ergebnis wie durch seine Versuche über die Schmelzung wurde Black durch seine wertvollen Arbeiten über die Verdampfung geführt. Wie die Versuche des mit ihm befreundeten Watt, so ergaben auch diejenigen Blacks, daß es nicht nur eine ganz bestimmte Schmelzwärme, sondern eine gleichfalls ihrer Größe nach bestimmte Verdampfungswärme gibt. Black stellte zunächst fest, daß unter Verhältnissen, die eine konstante Wärmezufuhr bedingen, die verdampfte Wassermenge der Zeit des Kochens proportional ist. Angenommen, 1 kg Wasser von 0° würde in einer bestimmten Zeit über einem konstanten Feuer zum Sieden und die Wassermenge würde darauf bei stets gleich bleibender Wärmezufuhr innerhalb der vierundeinhalbfachen Zeit zur Verdampfung gebracht, so würde dazu ein Aufwand von 450 Wärmeeinheiten erforderlich gewesen sein. Diese Zahlen entsprechen der zwar nur rohen, in ihrem Ergebnis jedoch von der Wahrheit nicht allzusehr abweichenden Bestimmung der Verdampfungswärme, wie sie Black anstellte. Die späteren, genaueren Ermittlungen haben 536 Wärmeeinheiten ergeben. Daß der Wert bei Black zu klein ausfiel, ist daraus leicht erklärlich, daß beim Fortschreiten des Verdampfens die Umstände sich etwas ändern, indem das Wasser eine im Verhältnis zu seiner Masse immer größere Oberfläche einnimmt und infolgedessen rascher verdampft.

Blacks Versuche über die Verdampfungswärme wurden um dieselbe Zeit durch die Beobachtung [91] ergänzt, daß verdunstende Flüssigkeiten die zur Verflüchtigung erforderliche Wärme, wenn sie nicht rasch genug von außen zugeführt wird, ihrem eigenen Wärmevorrat entnehmen. In der überraschendsten Weise zeigte sich dies bei einem Luftpumpenversuch. Man hatte Äther in einem Gefäß unter den Rezipienten der Luftpumpe gebracht und beobachtete, daß zufällig an der Außenwand des Gefäßes hängende Wassertröpfchen sich in Eis verwandelten.

Es erhob sich nun die Frage, ob die beim Verdampfen latent gewordene Wärme, ähnlich wie beim Erstarren von Flüssigkeiten, ihrem vollen Betrage nach zurückerhalten werden kann, wenn der Dampf in den flüssigen Zustand zurückkehrt. Um hierüber zu entscheiden, leitete Black eine bestimmte Menge Wasserdampf durch einen Schlangenkühler, in dem sich die hundertfache Menge Wasser befand. Die Temperatur des letzteren wurde bei der Kondensation des Dampfes um 5,25° C erhöht. Daraus ergab sich für die bei der Kondensation in die Erscheinung tretende, vorher latente Wärme des Dampfes der beträchtliche Wert von 525 Wärmeeinheiten. Watt hat dieses Ergebnis bestätigt, während Lavoisier die Bestimmung nach der Eisschmelzungsmethode wiederholte und einen etwas höheren Wert (550) fand. Die späteren Versuche Regnaults haben, bei einer Spannung des Dampfes von 760 mm, für die Kondensationswärme den Wert von 536 Wärmeeinheiten ergeben.

Black verstand es vortrefflich, seine Versuche mit den Beobachtungen des alltäglichen Lebens zu verknüpfen und dadurch ihre Beweiskraft eindringlicher zu gestalten. So bemerkt er bezüglich der Dampfwärme, sie müsse sehr groß sein, weil ein Dampfstrahl, der kaum die Hand feucht mache, die ganze Haut mit Brandblasen überziehe, wozu eine viel größere Menge kochenden Wassers nicht imstande sei. Auch hätten diejenigen, die Weingeist destillierten, erhebliche Mühe und Kosten aufzuwenden, daß das Kühlfaß genügend mit kaltem Wasser versorgt werde.

Black erörterte sowohl die Bewegungs- wie die Stofftheorie der Wärme. Letztere schien ihm besser die von ihm beobachteten Vorgänge zu erklären. Indessen erwiesen sich alle Bemühungen, das Gewicht des zugeführten hypothetischen Wärmestoffes festzustellen, ebenso erfolglos [92], wie es bezüglich des elektrischen Fluidums der Fall gewesen war. Trotzdem gab es Physiker, denen die Annahme eines einzigen Stoffes zur Erklärung der Wärmeerscheinungen noch nicht genügte. Wie man zwei entgegengesetzte elektrische Fluida annahm, so sollte es neben der Wärme einen besonderen Kältestoff geben, der z. B. in den zur Herstellung von Kältemischungen dienenden Salzen vorhanden sei. Dieser Auffassung war schon Mariotte [93] entgegengetreten. Er ließ die Kälte nur als Mindermaß an Wärme gelten und unterschied durch klare Darlegung und Versuche die strahlende von der Körperwärme. Daß die erstere die Luft und manche anderen Substanzen durchdringt, ohne die Temperatur wesentlich zu erhöhen, wies er nach, indem er Schießpulver mittelst einer aus Eis bestehenden Linse entzündete. Auch gelangte man schon damals zu der Erkenntnis, daß die Wärmestrahlen wie das Licht sich mit großer Geschwindigkeit ausbreiten. Der Franzose Pictet [94] brachte in den Brennpunkt eines aus Metall verfertigten Hohlspiegels eine erhitzte, indessen nicht leuchtende Metallkugel, während sich in dem Brennpunkt eines gegenüber befindlichen zweiten Hohlspiegels ein empfindliches Luftthermometer befand. Zwischen beiden Spiegeln, deren Abstand etwa 25 m betrug, war ein Schirm aufgestellt. Entfernte man diesen, so begann die Absperrflüssigkeit des Thermometers in demselben Augenblicke zu steigen. Es begegnet uns schon hier ein Experiment, das mit geringen Abänderungen (Schießbaumwolle an Stelle des Luftthermometers) noch heute zu den beliebtesten Vorlesungsversuchen zählt.

Pictet unterschied auf Grund seines Hohlspiegelversuchs die strahlende Wärme von der fortgeleiteten. Letztere schreite nur langsam von Teilchen zu Teilchen fort, während sich die Wärmestrahlung geradlinig und mit großer Geschwindigkeit, vielleicht ebenso schnell wie das Licht, ausbreite [95]. Aus der Tatsache, daß die Luft für Wärmestrahlen sehr durchlässig ist, ließ sich auch leicht die auf hohen Bergen wahrzunehmende geringe Temperatur erklären [96].

Die geschilderten Fortschritte auf dem Gebiet der Wärmelehre hatten zur Folge, daß man sich dem chemischen Prozeß als einer der Hauptquellen der Wärme mit verdoppeltem Interesse zuwandte, sowie den Einfluß der Wärme auf den Verlauf der chemischen Vorgänge in Betracht zog. Damit wuchs zugleich die Einsicht in das Wesen und den Ursprung der animalischen Wärme. Letztere hatte man bisher wohl aus der Reibung des in den Gefäßen zirkulierenden Blutes zu erklären gesucht, während man die Atmung, in völliger Verkennung der Tatsachen, als ein Mittel zur Abkühlung des Blutes betrachtete. Stahl, der Begründer der Phlogistontheorie, und Hales, dessen große Verdienste um die Physiologie wir kennen lernen werden, erklärten jetzt die tierische Wärme als eine Folge der Atmung. Der Zirkulation des Blutes schrieben sie die Aufgabe zu, die nach ihrer Meinung schon in den Lungen erzeugte Wärme dem übrigen Körper mitzuteilen. Es wurde also zum erstenmal der Atmungsprozeß mit der Verbrennung in Parallele gestellt, wenn es auch dem Zeitalter Lavoisiers vorbehalten blieb, das Wesen beider Vorgänge schärfer zu erfassen. Auch im übrigen stehen die Leistungen der Chemie seit der Mitte des 18. Jahrhunderts mit der großen Tat Lavoisiers in solch inniger Verknüpfung, daß wir es vorziehen, Verbrennung und Atmung im Zusammenhange mit Lavoisiers chemischen Ansichten zu betrachten.

Lavoisier hat sich auch um die Messung der Verbrennungswärme und der spezifischen Wärme Verdienste erworben, indem er in Gemeinschaft mit Laplace ein sehr zweckmäßiges Eiskalorimeter konstruierte [97] und mit diesem wertvolle Untersuchungen anstellte. Zunächst definieren beide Forscher den Begriff der spezifischen Wärme recht klar in folgenden Worten: »Wenn man zwei Substanzen von gleicher Masse und gleicher Temperatur voraussetzt, so ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um ihre Temperatur um 1° zu erhöhen, dennoch nicht für beide Körper dieselbe. Wenn man als Einheit diejenige Wärmemenge nimmt, welche die Temperatur der Gewichtseinheit Wasser um 1° erhöht, so können alle anderen Wärmemengen, die sich auf verschiedene Stoffe beziehen, in Teilen dieser Einheit ausgedrückt werden. Unter dem Ausdruck spezifische Wärme ist dieses Verhältnis der Wärmemengen zu verstehen.«

Für ihre Untersuchung bedienten sich Laplace und Lavoisier des von Black herrührenden Verfahrens der Eisschmelzung. Der Grundgedanke dieses Verfahrens ist folgender: Im Innern einer Hohlkugel aus Eis von 0 Grad Temperatur befinde sich ein Körper, der auf irgend einen Grad erhitzt ist. Die äußere Wärme kann in den Hohlraum einer solchen Kugel nicht eindringen. Die Wärme des Körpers dagegen kann sich nicht nach außen zerstreuen, sondern sie wird auf die innere Fläche der Höhlung beschränkt bleiben, von der sie so lange das Eis abschmelzen wird, bis die Temperatur des Körpers auf diejenige des Eises heruntergegangen ist.

Will man die spezifische Wärme eines festen Körpers kennen lernen, so wird man also seine Temperatur um eine gewisse Anzahl von Graden erhöhen, ihn dann in das Innere der Eiskugel bringen und ihn darin lassen, bis seine Temperatur auf 0° gesunken ist. Dann wird man das Wasser sammeln, das sich infolge der Wärmeabgabe des Körpers gebildet hat. Diese Wassermenge, dividiert durch das Produkt aus der Masse des Körpers und der Anzahl von Graden, die seine ursprüngliche Temperatur angibt, wird seiner spezifischen Wärme proportional sein [98].

Abb. 11. Lavoisiers Eiskalorimeter.

Auch die bei chemischen Vorgängen auftretenden Wärmemengen haben Lavoisier und Laplace mit ihrem Apparat gemessen. Um die Wärmemenge kennen zu lernen, die bei der Verbindung mehrerer Substanzen erzeugt wird, wurden sie sämtlich ebenso wie die Gefäße, in denen sie eingeschlossen waren, auf 0° abgekühlt. Ihre Mischung wurde dann sofort in das Innere der Eiskugel gebracht und darin gelassen, bis die Temperatur der Mischung wieder 0° war. Die Wassermenge, die bei diesem Versuche gesammelt wurde, ist das Maß für die bei der Verbindung entwickelte Wärme. Die Bestimmung der Wärmemengen, die bei der Verbrennung und der Atmung erzeugt werden, verursachte nicht mehr Schwierigkeiten. Man verbrannte die Körper im Innern der Eiskugel und ließ die Tiere innerhalb derselben atmen. Da aber die Erneuerung der Luft bei diesen Operationen unumgänglich nötig ist, so wurde eine Verbindung zwischen dem Innern der Kugel und der umgebenden Atmosphäre hergestellt. Damit ferner die Einführung der neuen Luft keinen merklichen Fehler veranlaßte, mußte man diese Versuche bei einer Temperatur von 0° machen oder mindestens die Luft, die man einführte, auf diese Temperatur abkühlen.

Bei der Ausführung der Versuche wurde die Eiskugel durch einen zweckmäßigeren Apparat ersetzt, dessen senkrechter Schnitt in Abb. [11] dargestellt ist. Der Hohlraum des Apparates ist in drei Teile geteilt. Die innere Höhlung besteht aus einem Eisendrahtgeflecht. In diese Höhlung bringt man die Körper, welche dem Versuche unterworfen werden sollen. Die obere Öffnung kann vermittelst eines Deckels geschlossen werden. Er ist in Abb. [11], HJ besonders dargestellt. Dieser Deckel ist oben offen; sein Boden wird durch ein Netz von Eisendraht gebildet. Der mittlere Raum bbbb des Kalorimeters ist dazu bestimmt, das Eis aufzunehmen, das den inneren Raum umgeben und durch die Wärme der dem Versuche unterworfenen Körper geschmolzen werden soll. Dieses Eis wird getragen und zurückgehalten durch einen Rost mm, unter dem sich ein Sieb befindet. In dem Maße, wie das Eis geschmolzen wird, läuft das Wasser durch den Rost und das Sieb, gelangt sodann in den Kegel ccd und die Röhre xy; endlich sammelt es sich in dem Gefäße P, das unter den Apparat gestellt wird. Die äußere Höhlung aaaa ist dazu bestimmt, dasjenige Eis aufzunehmen, welches den Einfluß der von außen kommenden Wärme abhalten soll. Das durch das Schmelzen dieses Eises entstandene Wasser fließt durch die Röhre ST zur Seite ab. Der ganze Apparat wird mit dem Deckel FG (Abb. [11]) bedeckt.

Um den Apparat in Gebrauch zu nehmen, füllt man die mittlere Höhlung und den Deckel HJ der mittleren Höhlung mit gestoßenem Eis, ebenso die äußere Höhlung und den Deckel FG des ganzen Apparates. Man läßt darauf das Eis der mittleren Höhlung abtropfen. Dann öffnet man den Apparat, um den Körper, mit dem man experimentieren will, hineinzubringen und schließt ihn sofort wieder. Man wartet, bis der Körper vollkommen abgekühlt ist und der Apparat gut abgetropft hat. Dann wägt man das aufgesammelte Wasser; sein Gewicht ist ein genaues Maß der von dem Körper abgegebenen Wärme.

Weit größere Schwierigkeiten bereitete den beiden Forschern die Ermittlung der spezifischen Wärme von Gasen. Doch scheuten sie auch vor dieser Aufgabe nicht zurück. Sie ließen bestimmte Mengen der zu untersuchenden Gase durch ihr Eiskalorimeter strömen und bestimmten die Temperatur vor dem Eintritt und nach dem Ausströmen, sowie die Menge des geschmolzenen Eises. Damit waren zwar die Daten für eine Berechnung gegeben, doch erhielt man sehr ungenaue Ergebnisse [99].

Zum Schlusse seien einige der von Lavoisier und Laplace gefundenen spezifischen Wärmen mitgeteilt unter Angabe der heute als richtig geltenden Werte in Klammern:

Gewöhnliches Wasser	1	(1)
Eisen	0,109	(0,113)
Quecksilber	0,029	(0,033)
Blei	0,028	(0,031)
Schwefel	0,208	(0,202)

Desgleichen seien die Ergebnisse einiger Versuche zur Bestimmung der Verbrennungswärme angegeben:

Mengen des geschmolzenen Eises durch die Verbrennung von

1	Pfund	Phosphor	100	Pfund
1	"	Faulbaumkohle	96	"
1	"	Olivenöl	148	"

Die Abweichung von späteren Bestimmungen ist hier eine bedeutende, so entwickelt 1 kg Phosphor 5747 Kalorien und liefert demnach nur 5747/80 = 71,8 kg Wasser, während nach Lavoisier und Laplace 1 Teil Phosphor bei seiner Verbrennung 100 Teile Schmelzwasser liefern soll.

Von Lavoisier und Laplace rühren auch die ersten genauen Messungen der Ausdehnungskoeffizienten fester Körper her. Sie benutzten bei ihren Versuchen ein Fernrohr, das von den sich beim Erwärmen ausdehnenden Körpern gedreht wurde. Als Stützpunkte für die letzteren gebrauchten sie Pfeiler aus Stein, deren Form durch die Wärme nicht merklich verändert wird.

Grundlegend auf dem Gebiete der Wärmelehre waren auch die Untersuchungen Blagdens über die Gesetze der Überkaltung und der Gefrierpunktserniedrigung. Blagden [100] veröffentlichte seine Arbeiten über diesen Gegenstand im Jahre 1788. Die erste dieser Arbeiten bringt eine Anzahl wichtiger Versuche über die Abkühlung des Wassers bis unter seinen Gefrierpunkt. Blagden zeigte, daß das Wasser, dessen Gefrierpunkt bei 32° Fahrenheit liegt, unter Umständen erst bei 24°, ja selbst bei 21° F in den festen Zustand übergeht. Die Überkaltung war auch möglich, wenn man dem Wasser Salze beimengte, die an sich schon den Gefrierpunkt herabsetzen. Eine Kochsalzlösung, deren Gefrierpunkt 28° F betrug, wurde auf 18½° abgekühlt. Erst bei weiterer Entziehung von Wärme wurde sie fest. Eine Salpeterlösung mit dem Gefrierpunkt 27° F wurde bis auf 16°, also 11° unter den neuen Gefrierpunkt »überkaltet«. Das merkwürdige Phänomen der Überkaltung hatte die Aufmerksamkeit einzelner Physiker schon vor Blagden erregt, keiner hat es aber so sorgfältig untersucht wie dieser. Eingehend befaßt er sich mit den Bedingungen der Überkaltung und der Ursache des plötzlichen Erstarrens überkalteter Flüssigkeiten. Rieb Blagden mit einem Glasstab an der Innenwand des Gefäßes, in welchem sich überkaltetes Wasser befand, so wurde das Wasser, das andere Bewegungen wohl vertrug, zum Erstarren gebracht. Überraschend war der Versuch, bei dem überkaltetes Wasser mit einem noch so winzigen Eisstück berührt wurde. Es trat sofortiges Gefrieren ein, indem die Eiskristalle von der Stelle aus, wo sich das Eisstückchen befand, durch die ganze Masse anschossen. Gleichzeitig erwärmte sich die ganze Masse bis zum normalen Gefrierpunkt des Wassers [101].

Durch den beschriebenen Versuch erklärte sich auch die Erscheinung, daß die Überkaltung sicherer gelingt, wenn man das Gefäß leicht mit Papier bedeckt. Blagden nahm an, daß winzige erstarrte Wasserteilchen bei Frostwetter in der Luft schweben und auf das sich abkühlende Wasser fallen, dessen Erstarrung sie dann bewirken, während diese Teilchen im anderen Falle von dem Papier zurückgehalten werden.

Als zweite Ursache, welche den Gefrierpunkt von Flüssigkeiten herabsetzt, hatte man den Zusatz von Salzen und Säuren erkannt. Die erste quantitative Untersuchung dieses Verhaltens rührt gleichfalls von Blagden her [102]. Für die erste Versuchsreihe diente das Kochsalz. Es ergab sich, daß das Salz den Gefrierpunkt nach dem einfachen Verhältnis, in welchem es zu dem Wasser der Lösung steht, erniedrigt. Man hat vorgeschlagen, dieses Gesetz das Blagdensche zu nennen [103].

Weitere Versuchsreihen lieferten Salpeter, Salmiak, Glaubersalz und weinsaures Natrium-Kalium. Für alle entsprach die Gefrierpunktserniedrigung dem einfachen Verhältnisse von Salz zu Wasser [104]. Setzte Blagden Säuren, Alkalien oder Alkohol zum Wasser, so ließ sich keine solch einfache Beziehung nachweisen, doch schienen ihm gleiche Zutaten dieser Flüssigkeiten den Gefrierpunkt des Wassers in einem zunehmenden Verhältnis zu erniedrigen.

Blagdens Untersuchung über diesen Gegenstand geriet zunächst ganz in Vergessenheit; man wurde auf sie erst wieder aufmerksam, als man in der neuesten Zeit in der Gefrierpunktserniedrigung, welche Salze und auch indifferente organische Stoffe bewirken, ein Mittel zur Bestimmung des Molekulargewichtes kennen lernte. Vorahnend bemerkt schon Blagden, man möge doch Untersuchungen wie die seine nicht für unwichtig halten, da man auf diesem Wege zu einer Kenntnis des inneren Gefüges gelangen werde, auf dem die Eigenschaften des Körpers beruhen.