Zeigt uns so das Erhaltungsgesetz, daß alles Geschehen in der Welt vom
energetischen Standpunkt aus als ein Umsatz von Energien betrachtet
werden kann, so fragt es sich weiter, von welchen Bedingungen sind
die Umwandlungen einer Energieform in die andere abhängig. Man
könnte, wenn man eine lange Reihe von Vorgängen in der Natur als
Energieumwandlungen erkannt hat, leicht auf die Vorstellung verfallen,
daß jede Energieform sich ohne weiteres vollständig in jede beliebige
andere umwandeln könne. Das ist aber keineswegs der Fall, sondern das
Geschehen in der Welt, der Uebergang einer Energie in die andere ist
sehr weitgehenden Beschränkungen unterworfen. Der Satz nun, der die
allgemeinen Beschränkungen in dieser Hinsicht zum Ausdruck bringt, ist
der sogenannte „+zweite Hauptsatz+“.
Das Fundament für den „+zweiten Hauptsatz+“ ist gelegt worden, ehe
der erste Hauptsatz, d. h. das Erhaltungsgesetz entdeckt war, von
dem jungen französischen Ingenieur ~Sadi Carnot~ im Jahre 1828.
~Carnot~, der sich mit Untersuchungen über die Frage beschäftigte, wie
in der Dampfmaschine durch Wärme Arbeit erzeugt würde, formulierte
zuerst die Tatsache, daß Wärme immer nur mechanische Arbeit leisten
kann, wenn sie von einem Körper höherer auf einen Körper niedrigerer
Temperatur übergeht. Die Erkenntnis dieser unscheinbaren Tatsache hat
außerordentlich weittragende Konsequenzen nicht allein in theoretischer
Beziehung, sondern vor allem auch für die praktische, sich daran
anknüpfende Frage nach den Bedingungen für die Erzielung maximaler
Arbeitsleistungen bei Maschinen der verschiedensten Art gehabt.
Im obigen Falle von ~Carnot~ ist also die Umwandlung von Wärme in
mechanische Arbeit innerhalb eines geschlossenen Systems abhängig
von der Temperaturdifferenz zwischen zwei verschiedenen Teilen des
Systems. Ist die Temperatur in allen Teilen eines Systems gleich, so
kann, mag das System noch soviel Wärme enthalten, keine mechanische
Arbeit in ihm stattfinden. Die Temperatur ist der Intensitätsfaktor
der Wärmeenergie. Alle Energieformen kann man definieren als das
Produkt ihres „Intensitäts“- und „Kapazitäts“- (oder Extensitäts-
oder materiellen) Faktors. So ist z. B. die elektrische Energie das
Produkt aus der Spannung (Intensitätsfaktor) und der Elektrizitätsmenge
(Kapazitätsfaktor), so ist die chemische Energie das Produkt aus der
Affinität (Intensitätsfaktor) und der Stoffmenge (Kapazitätsfaktor),
und so ist die Wärmeenergie das Produkt aus der Temperatur
(Intensitätsfaktor) und der Entropie (Kapazitätsfaktor). Es hat sich
nun gezeigt, daß das, was ~Carnot~ für die Umsetzung von Wärme in
Arbeit gefunden hatte, für alle energetischen Umsetzungen, d. h. für
alle Naturvorgänge gilt. +Energieumsetzungen in einem geschlossenen
System können immer nur stattfinden, wenn zwischen den beteiligten
Energien Intensitätsdifferenzen vorhanden sind.+ Das ist heute die
allgemeinste Fassung des sogenannten „zweiten Hauptsatzes“.
Jeder Energieumsatz oder sagen wir einfach jeder Vorgang -- denn
jeder Vorgang ist ein Energieumsatz -- besteht darin, daß die
Energiedifferenz sich ausgleicht. Das kann schneller oder langsamer
geschehen. Schließlich aber, wenn sich die Differenz ausgeglichen
hat, ist ein Gleichgewichtszustand erreicht und das Geschehen ist zu
Ende, das System befindet sich im Ruhezustande. Es kann jetzt erst
wieder zu einer Leistung veranlaßt werden, wenn durch Energiezufuhr
von außen das Gleichgewicht im System gestört wird. Dann findet
wieder ein Energieumsatz statt, weil zwischen der Energie des Systems
und der von außen einwirkenden Energie eine Intensitätsdifferenz
besteht. Und wiederum dauert der Vorgang so lange an, bis sich die
beiden aufeinander einwirkenden Energien gegenseitig von neuem ins
Gleichgewicht gesetzt haben. In diesem Falle ist dann zwar +innerhalb+
des Systems selbst eine Intensitätsdifferenz vorhanden, aber diese
ist kompensiert durch die von +außen+ einwirkende Energie. Es
können also in einem System wohl Intensitätsdifferenzen bestehen,
ohne daß ein Energieumsatz, ein Geschehen erfolgt, aber das ist nur
der Fall, wenn die Differenz von +außen+ her kompensiert ist. Ein
Beispiel wird das anschaulicher machen. Eine unbelastete Hebelwage
befindet sich im Energiegleichgewicht, d. h. in Ruhe. Belaste ich
die eine Wageschale mit einem kleinen Gewicht, so störe ich das
Gleichgewicht in der Wage und es tritt eine Bewegung ein solange
bis ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht ist. In diesem neuen
Gleichgewichtszustande besteht zwar eine Intensitätsdifferenz der
Energie zwischen den beiden Hälften der Wage an sich, aber diese ist
kompensiert durch das von außen auf das System der Wage einwirkende
Gewicht, und ebenso besteht zwischen dem Gewicht und der Luft eine
Intensitätsdifferenz, denn das Gewicht würde, wenn es nicht durch die
Wage gehalten würde, sich bewegen und zu Boden fallen. Schieben wir
das Gewicht von der Wagschale herunter, so fällt es herab, bis auf
dem Boden sich ein neuer Gleichgewichtszustand zwischen dem Gewicht
und dem Gegendruck des Bodens hergestellt hat, und die Wage kehrt
ebenfalls in ihre ursprüngliche Gleichgewichtslage zurück. Solche
von außen kompensierte Intensitätsdifferenzen zwischen gleichen oder
verschiedenen Energieformen finden wir nun auf Schritt und Tritt in
der Welt. Bei allen möglichen Körpern, bei den verschiedenartigsten
Systemen physikalischer und chemischer Natur können wir solche
Energieintensitätssprünge, die von außen her kompensiert sind,
beobachten. Sie sind nichts anderes als Systeme mit potentieller
Energie.
Nach alledem können wir alle Dinge der Welt nach energetischen
Gesichtspunkten in zwei Rubriken einordnen, +in Vorgänge+ und
+Zustände+. Vorgänge sind Energieumsetzungen, bedingt durch
unkompensierte Intensitätsdifferenzen. Zustände sind Systeme von
Energien, die sich im Gleichgewicht befinden.