Robert-Mayer-Gymnasium Heilbronn

Robert Mayer und seine Idee

von Helmuth Etzler

Ginge es immer gerecht zu auf der Welt, dann müssten wir unser Sonntagsmenu argwöhnisch auf seinen Gehalt an Kilomayer anstatt Kilojoule überprüfen. Dass man, wenn es um die Leibesfülle geht, auch immer noch Kilokalorien addiert, erinnert nur Eingeweihte an den großen Heilbronner Dr. Julius Robert Mayer.  

Der verkannte Physiker
Zwar attestiert man ihm seit seinem 45sten Lebensjahr zu Recht geniale physikalische Denkweise, konnte und wollte ihm aber bis zu diesem Zeitpunkt nicht zugestehen, dass er den Energieerhaltungssatz als erster in allgemeiner Form erkannt hatte. Bei dieser Missachtung seiner Leistung mag es eine Rolle gespielt haben, dass er ein Naturforscher war, wie er vor allem in der heutigen Zeit der Fachphysiker mit speziellen Forschungsgebieten nicht mehr vorstellbar ist. Als durchaus erfolgreicher Arzt betrieb er die Physik als genialer Außenseiter, dem in seinen früheren Abhandlungen Unklarheiten und Unvollständigkeiten unterliefen, welche die Berufsphysiker zu Recht bedenklich stimmten.

Im Alter von 30 Jahren schrieb er in der selbstverlegten Broschüre mit dem etwas seltsamen Titel: 'Die organische Bewegung in ihrem Zusammenhange mit dem Stoffwechsel' seine Erkenntnisse überzeugend nieder. Eine der zentralen Aussagen war: Wärme und mechanische Kräfte wie er sie nannte, sind verschiedene Erscheinungsformen derselben physikalischen Größe (für die damals das Wort Energie noch nicht gebräuchlich war). Dies ist eine viel weiter reichende Erkenntnis als die, dass Wärme Begleiterscheinung bei mechanischen Reibungsvorgängen ist oder umgekehrt mit Hilfe der Wärmeerzeugung mechanische Energie zu gewinnen ist, die Dampfmaschine gab es 1842 schon seit 80 Jahren). Diese Erkenntnis bedeutet vielmehr, dass einer bestimmten Wärmemenge eine bestimmte mechanische Energiemenge entspricht und diese wechselseitig ineinander umwandelbar sind. Konsequenterweise gab Mayer das zugehörige mechanische Wärmeäquivalent nicht nur zahlenmäßig an — dem Herabsinken eines Gewichtsteiles aus 425 m Höhe entspricht die Erwärmung des gleichen Gewichtsteiles Wasser von 0 auf 10 Celsius, er lieferte auch die zugehörige Berechnung dieses Wärmeäquivalents selbst für heutige Ansprüche vollkommen exakt. Die Genialität dieses berühmten Gedankenexperiments wird dadurch unterstrichen, dass die zugrundeliegenden Erkenntnisse und Zahlenwerte jedem Fachphysiker damals ebenfalls vorlagen:

Das Gedankenexperiment
Erwärmt man eine Gasmenge, die z. B. in einem Luftballon eingeschlossen ist, so steigt dabei im allgemeinen sowohl ihr Volumen als auch ihr Druck. Man erkennt dies an der Vergrößerung des Ballons und daran, dass der Ballon dann stärker gespannt ist.

Würde man einen gänzlich unelastischen Ballon nehmen, so würde sich bei der Erwärmung das Volumen nicht verändern, der Druck aber etwas weiter steigen. Umgekehrt würde sich bei der Verwendung eines hochelastischen Ballons das Volumen vergrößern, der Druck bliebe aber konstant, weil sich der Ballon wegen seiner (als ideal angenommenen) Elastizität trotz der Vergrößerung nicht stärker anspannen würde.

Es war nun damals bekannt, dass man im ersten Fall (Erwärmung bei konstantem Volumen) weniger Wärmeenergie benötigt als im zweiten Fall (gleichstarke Erwärmung bei konstantem Druck). Mayer erkannte, dass die zusätzliche Wärmemenge im zweiten Fall in mechanische Energie umgewandelt wird, welche zur Volumenvergrößerung gebraucht wird. Bei der Vergrößerung des elastischen Ballons muss nämlich die Umgebungsluft zurückgedrängt werden. Dies ist im ersten Fall nicht nötig.

Der Zahlenwert des Wärmeäquivalents (1 kcal 4185 J) ergibt sich durch Gleichsetzung der zusätzlichen Wärmemenge mit der entstandenen mechanischen Energie.

Dass Robert Mayer zunächst wissenschaftliche Anerkennung verwehrt blieb, mag traurig sein, erscheint aber nicht so tragisch, dass man sich deswegen aus dem Fenster stürzen müsste, war er doch in seinem eigentlichen Beruf sehr erfolgreich. Vielleicht wird seine Verzweiflung verständlicher, wenn man sich klarmacht, dass hinter seiner Entdeckung eine geniale Vereinfachung der Betrachtungsweise der Natur steht, weil er zwei aus damaliger Sicht völlig unterschiedliche Erscheinungen wie Bewegung und Wärme demselben Begriff unterordnete.

Robert Mayers Idee heute
Mechanische Energie und Wärmeenergie werden im heutigen Physikunterricht schon in der Klasse 8 als unterschiedliche Erscheinungsformen derselben Größe eingeführt und somit auch in derselben Einheit, nämlich dem Joule, gemessen (James Prescott Joule hatte unabhängig von Robert Mayer, aber zeitlich nach ihm, verschiedene Energieumwandlungsprozesse experimentell erfasst und ihre Ergebnisse veröffentlicht). Noch bis etwa 1970 wurde im Schulunterricht mechanische Energie in Kilopondmeter, Wärmeenergie aber in Kilokalorien gemessen.

Was also Mayers Zeitgenossen so revolutionär erschien, wird heutigen Achtklässlern als Selbstverständlichkeit angeboten. Sich solcher Tragweite seiner Überlegungen bewusst werdend, schrieb er:

`Die Natur in ihrer einfachen Wahrheit ist größer und herrlicher als jedes Gebild von Menschenhand und als alle Illusionen des erschaffenen Geistes´

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=> Das Robert Mayer Jubiläumsjahr