Entropie- und Lichtstom

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Die Überschrift dieses Abschnitts riecht geradezu nach „Wärmestrom“ bzw. „Wärmestrahlung“. Der Begriff „Wärmestrom“ wird in zweierlei Weise gebraucht: Einmal als Bezeichnung des thermischen Pensums aus der gibbsschen Fundamentalform, und dann als Oberbegriff der drei wesentlichen „Transportphänomene“ im Zusammenhang mit Wärme, nämlich Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung.

Der Gebrauch im Zusammenhang mit dem thermischen Pensum ist eine unglückliche Wahl, weil er einen substanziellen Transport vorgaukelt, der mit einem Pensum – als der energetischen Bewertung eines Inventarunterschieds mit Hilfe des entsprechenden Potentials – physikalisch nichts zu tun hat und mit diesem allenfalls numerisch gleich sein kann. Der Gebrauch im Zusammenhang mit dem Transport von Entropie ist angebrachter, aber auch hier ist die Verwendung des Begriffs für eine Energieform anstatt für die transportierte Menge selbst unangemessen und demonstriert letztlich nur das distanzierte Verhältnis, das zur Entropie herrscht. Werfen wir einen kurzen Blick auf die Vorgänge, die sich unter „Wärmestrom“ subsummieren lassen:

Wärmeleitung setzt (ruhenden) Stoff voraus, in dem ein Temperaturgefälle herrscht.
Konvektion wird als Strömung „temperierten“ Stoffs aufgefasst, die durch ein Dichtegefälle im Stoff angetrieben wird.
Wärmestrahlung setzt keinen stofflichen Träger und kein Gefälle voraus.

Der entscheidende Unterschied zwischen Wärmeleitung und Konvektion einerseits und Wärmestrahlung andererseits besteht darin, dass letztere ein Zustand ist und damit in den Zuständigkeitsbereich der Wärmelehre fällt, während die ersten beiden aufgrund instationärer Verhältnisse im Rahmen der Thermodynamik beschrieben werden müssen.

Dass Wärmestrahlung nicht ruht, darf uns dabei nicht narren. Auch ein stationäres Impuls-Reservoir ruht nicht, es bewegt sich vielmehr mit definierter Transportgeschwindigkeit durch den Raum, während sein Inventar und deswegen auch seine Energie konstant sind. Für die Wärmelehre ist die Bewegung egal, denn sie interessiert sich nicht – wie etwa die Mechanik – für Wechselwirkungen, sondern nur für stationäre Zustände. Wo sich der Zustand befindet und wann er eingenommen wurde, spielt absolut keine Rolle.

Dasselbe gilt grundsätzlich auch für Wärmestrahlung. Natürlich kommen wir dadurch auf den Umstand zurück, dass mit der Abzählrelation für Licht auch die Existenz einer physikalischen Größe „Lichtmenge“ verbunden ist, deren Bedeutung bislang unerkundet geblieben ist. Das mag nicht weiter auffallen, solange sich Wärmestrahlung, ob nun im Vakuum oder in Wechselwirkung mit Materie, quantentheoretisch und/oder elektrodynamisch beschreiben lässt. Doch im Rahmen der Wärmelehre haben wir das Problem, für den Zustandsunterschied eines Systems, das zeitweise einem Strahlungsungleichgewicht ausgesetzt war, kein Pensum eines externen Systems angeben zu können, solange die gesendete Lichtmenge nicht restlos von einem anderen (genauso beschreibbaren) System „geschluckt“ wurde. Normalerweise wird immer Licht außerhalb von ihnen bleiben, als eine „mikrokosmische Hintergrundstrahlung“ sozusagen. Das bedeutet, dass wir ohne Berücksichtigung der Lichtmenge die „Bücher nicht schließen“ können.

Wärmestrahlung muss immer zusammen mit Impuls (und Spin) beschrieben werden. Der entsprechende Ansatz führt ja auch zu einer Entropiedichte, die mit der Gesamtphotonendichte der Hohlraumstrahlung zusammenfällt. Allerdings verlangt die Wärmelehre keine spezielle spektrale Verteilung, sie interessiert sich nur für die Lichtmenge und ihr thermisches Potential. Die spektrale Dichte der Hohlraumstrahlung ist nur eine Spielart aus einer unendlichen Schar sowohl isentroper (oder isoluxer) als auch isoenergetischer Spektraldichten, und es erhebt sich die Frage, wie sie sich möglicherweise in ihrem thermischen Potential unterscheiden.

Der Raum, in dem uns Stoff, Ladung, Licht etc. transportierbar erscheinen, existiert nicht an sich. Er ist uns aus zweierlei Gründen anschaulich:

1.Weil Impulsportionen im Zusammenhang mit ruhemassebehafteten Partikeln existieren, deren Dispersionsrelation keine Naturkonstante ist.
2.Weil unvergleichlich schnelle, uns Informationen zutragende Impulsportionen im Zusammenhang mit ruhemasselosen Partikeln existieren.

Hätten alle Systeme ein konstantes impulsives Dispersionspotential, dann könnten sie sich in unserer dreidimensionalen Welt niemals kennenlernen, bzw. würde diese gar nicht existieren. Die besondere Dispersionsrelation des Impulses ruhemassebehafteter Körper erschafft erst den Raum, in dem uns „Transportphänomene“ erscheinen können.