Thermodynamik und statistische Physik

Thermodynamik und statistische Physik, die „Physik der Wärme“, sind seit einem Jahrhundert zentraler Bestandteil jedes Lehrplans für Physik. Sie befassen sich mit dem Verhalten makroskopischer Objekte, deren mikroskopische Dynamik zu beschreiben unser Vermögen übersteigt. Das gelingt nun ganz hervorragend unter Zuhilfenahme statistischer Gesetzmäßigkeiten. Thermodynamik und statistische Physik reichen in ihrer Bedeutung weit über die Physik hinaus und erklären eine schier unerschöpfliche Masse an komplexen Phänomenen unserer Umwelt aus einfachen Grundprinzipien. Auch wenn die historischen Wurzeln der Thermodynamik ganz praktisch in einem besseren Verständnis von Wärmekraftmaschinen von der Dampfmaschine über den Benzinmotor hin zur modernen Gasturbine zu suchen sind, so hat sie die entscheidenden ersten Schritte in die Quantentheorie erlaubt und in den letzten Jahrzehnten tiefe Einblicke in die Physik der schwarzen Löcher als einem Schritt zu einer Theorie der Quantengravitation ermöglicht. Einstein selbst war der festen Überzeugung, dass die Thermodynamik das eine Gebiet der Physik sei, das auch durch zukünftige Revolutionen in der Physik in seiner Geltung unangetastet bleiben würde. Methoden der statistischen Physik werden schon seit langem nicht mehr nur auf Flüssigkeiten, Gase, Magnete, Mischungen und Lösungen angewandt, sondern sind unverzichtbare Grundlagen der Festkörperphysik, der modernen Biophysik und der Klimaforschung genauso wie auch scheinbar unverwandter Gebiete wie der Finanzmathematik und der Verkehrsforschung. Das kollektive dynamische Verhalten komplexer Systeme fern von einem Gleichgewichtszustand ist in den letzten Jahren aufgrund neuer experimenteller, theoretischer und numerischer Verfahren in das absolute Zentrum des Interesses moderner Physik gerückt und stellt in seiner Vielfalt eine der fundamentalen Herausforderungen für die Forschung da. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sind von zentraler Bedeutung in so unterschiedlichen Bereichen wie dem Quantencomputing, wo es um die Unterdrückung von Dekohärenz geht, und der Biophysik, die sich mit dem Nichtgleichgewichtsphänomen schlechthin befasst, dem Leben. Für dieses hochaktuelle Gebiet der statistischen Physik des Nichtgleichgewichts bilden Thermodynamik und statistische Physik des Gleichgewichts, wie sie von Schroeder behandelt werden, unverzichtbare Grundlagen. Es überrascht kaum, dass diese Gebiete der Physik bei den Studierenden großes Interesse finden, gleichzeitig aber aufgrund ihrer großen Vielfalt nicht leicht zu meistern sind. Schroeders in den Vereinigten Staaten populäres Buch „Thermal Physics“ liegt nun zum ersten Mal in deutscher Übersetzung vor. In einer ansprechenden Mischung entwickelt es die Methoden der Thermodynamik und statistischen Physik in einem gemeinsamen Zugang und bespricht alle wichtigen Anwendungen: Gase, Flüssigkeiten, Magnete, Festkörper, Wärmekraftmaschinen, chemische Reaktionen. Dabei werden die Grundlagen ebenso präzise wie anschaulich gelegt und ermöglichen es dem Leser, sich in der mathematisch einfachen, aber konzeptionell subtilen Thermodynamik zurecht zu finden, aber auch die wichtigsten Rechen- und Näherungsmethoden der statistischen Physik souverän anzuwenden.

Ausgehend von den einfachsten Modellen, dem idealen Gas und dem Paramagneten, entwickelt Schroeder zunächst die Begriffe von Wärme und Arbeit. In weiteren Schritten, entwickelt er in sehr anschaulicher Weise die schwierigen Begriffe Entropie und (Ir)reversibilität. Davon ausgehend stellt Schroeder den Zusammenhang zwischen Temperatur und Wärme her. Bei der sich anschließenden Behandlung von Wärmekraftmaschinen und Kühlschränken legt Schroeder besonderen Wert darauf, neben den abstrakten Prinzipien auch die Eigenschaften realer Apparate vorzustellen. Die Behandlung thermodynamischer Potentiale, allen voran der freien Energie, illustriert Schroeder anhand von Phasenübergängen und einer für physikalische Literatur ungewöhnlich ausführlichen Diskussion von Mischungen und Lösungen. Er stellt den Zusammenhang zwischen freier Energie und dem Streben ins Gleichgewicht her und liefert eine sorgfältige Diskussion chemischer Reaktionen aus physikalischer Sicht. In einem weiteren Kapitel stehen die Zustandssummen der statistischen Physik als Schlüssel zur Berechnung von Zustandsgrößen, Korrelationen und Fluktuationen im Mittelpunkt. Diese allgemeinen Überlegungen werden dann an den idealen Quantengasen (Fermionen und Bosonen) illustriert. Dabei zeigt Schroeder, welche Vielfalt physikalischer Phänomene durch diese sehr einfachen Modelle bereits abgedeckt wird: Gitterschwingungen in Festkörpern fallen ebenso darunter wie die Schwarzkörperstrahlung und die Bose-Einstein-Kondensation. Natürlich findet die Idealisierung vernachlässigbarer Wechselwirkungen ihre Grenzen und führt in das weite Feld exakter und approximativer Rechenverfahren. Hier stellt Schroeder exemplarisch die statistische Physik schwach wechselwirkender Gase und eindimensionaler Magnete vor. In zwei Anhängen ruft Schroeder die nötigen quantenmechanischen und mathematischen Grundlagen ins Gedächtnis.  

Learn a little . . . do a little

Besonders hilfreich ist auch, sich bei Beispielen plastisch vor Augen zu führen, wie sich die Änderung von physikalischen Parametern auf das Verhalten eines Systems auswirkt.Dazu sind ausgewählte Beispiele als digitale Arbeitsblätter ausgearbeitet worden, die Sie einfach mittels eines QR-Scanners auf Ihrem mobilen Gerät (idealerweise ein Tablet) aufrufen und begleitend zur Veranschaulichung benutzen können. Ganz getreu dem Motto Learn a little . . . do al little.

 

Das Buch richtet sich an Studierende der Naturwissenschaften, insbesondere der Physik. Es ist für Studierende an Universitäten und Fachhochschulen konzipiert und rundet den an sich eher abstrakten Stoff durch zahlreiche Beispiele und eine große Fülle an Aufgaben ab, die die Reichweite von Thermodynamik und statistischer Physik illustrieren. Hier liegt eine der großen Stärken des Buches: mehrere hundert Aufgaben, die von einfachen Überlegungen über Verständnisfragen und komplexen Fragestellungen aus Physik, Chemie und Biologie hin zu Programmieraufgaben reichen, erlauben jedem Studierenden, seine Kenntnisse schrittweise zu überprüfen und an Aufgaben zu schärfen. So eignet sich die „Physik der Wärme“ hervorragend zum Selbststudium. Für Dozenten und Studierende gleichermaßen eignet sich das Buch als Begleitlektüre für eine einsemestrige Vorlesung zur Physik der Wärme im Haupt- wie im Nebenfach Physik.