Zum 250. Geburtstag von Lazare Carnot

Die Carnots in Magdeburg und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

 

Wer in diesen Frühlingstagen vom Pfälzer Platz aus den Nordpark an seiner südöstlichen Ecke betritt, kommt nach wenigen Schritten am dort befindlichen Lazare-Carnot-Denkmal vorbei. Der 250. Geburtstag von Lazare Nicolas Marguerite Carnot (1753-1823) am 13. Mai dieses Jahres ist Anlass, daran zu erinnern, dass hier nicht nur ein großer Franzose geehrt wird, der seinen letzten Lebensabschnitt in Magdeburg verbracht hat, sondern dass damit auch ein nicht unbedeutsames Kapitel Wissenschaftsgeschichte verbunden ist.
In den Natur- und Ingenieurwissenschaften denkt man bei dem Namen Carnot vor allem an den berühmten Carnotschen Kreisprozess und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Diese, in ihrer Bedeutung weit über ihren ursprünglichen Anwendungsbereich, den Wärmekraftmaschinen, hinausreichenden physikalischen Erkenntnisse gehen in ihrem Kern jedoch bekanntlich auf eine bahnbrechende Publikation Sadi Carnots (1796-1832), des ältesten Sohnes von Lazare Carnot, im Jahre 1824 in Paris zurück. Weniger bekannt ist vielleicht, dass Sadi mit seiner Publikation eine Entwicklung krönte, die sein Vater Lazare schon 1783 begonnen hatte und wofür entscheidende Ideen mit großer Wahrscheinlichkeit 1821 in Magdeburg entstanden sind.

Lazare Carnot wird im Allgemeinen weniger für seine wissenschaftlichen Leistungen als Ingenieur und Mathematiker, sondern mehr für seine politischen und militärischen Verdienste während der Französischen Revolution geehrt. Als gewähltes Mitglied des Nationalkonvents übernahm der als Ingenieuroffizier ausgebildete Carnot 1793 im Wohlfahrtsausschuss das Kriegswesen und wurde zum Organisator der siegreichen französischen Revolutionsheere. Nach dem Sturz Robesspierres wurde Lazare Carnot 1795 Mitglied des Direktoriums. 1801 ernannte ihn der Erste Konsul und spätere Kaiser Napoleon zum Kriegsminister. Von diesem Amt trat Carnot als überzeugter Republikaner jedoch bald zurück und widmete sich als Mitglied des Institut de France wissenschaftlichen und militärischen Studien. Noch einmal übernahm er politische und militärische Verantwortung, als er 1814 die Verteidigung von Antwerpen organisierte und 1815 während der "Hundert Tage" Napoleons als Innenminister amtierte. Als Carnot 1816 nach der endgültigen Niederlage Napoleons und erfolgreicher Flucht vor den Bourbonen nach mehreren Zwischenstationen im preußischen Magdeburg Exil fand, konnte er auf ein erfülltes und bewegtes Leben als Politiker, Militär, Festungsbauingenieur und Gelehrter zurückblicken. Am 2. 8. 1823 starb er in Magdeburg. Sein Leichnam wurde zuerst in der Johanneskirche beigesetzt und 1832 auf den Nordfriedhof, dem heutigen Nordpark, umgebettet. Von dort wurden seine Gebeine am 1. 8. 1889 zum einhundertsten Jahrestag der Französischen Revolution mit militärischen Ehren und unter Anteilnahme der Öffentlichkeit nach Paris überführt und im Pantheon beigesetzt.

Im Jahre 1821 besuchte der damals vierundzwanzigjährige Sadi seinen Vater im Exil in Magdeburg. Dieses letzte Zusammentreffen zwischen Vater und Sohn lenkte Sadis Aufmerksamkeit auf die Probleme, die er dann in seiner epochemachenden Publikation von 1824 "Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers und die zur Entwicklung dieser Kraft geeigneten Maschinen" behandelte. Der nachhaltige Einfluss von Lazare auf Sadi kommt nicht nur in der mathematisch-naturwissenschaftlichen Ausbildung zum Ausdruck, die der Vater dem Sohn angedeihen ließ, sondern auch in der offenkundigen Analogie zwischen den Schlussfolgerungen in Sadis "Betrachtungen" von 1824 und den Arbeiten seines Vaters über einfache Maschinen aus den Jahren 1783 und 1803. In diesen Arbeiten hatte Lazare Carnot versucht, die Bedingungen aufzustellen, unter denen die Leistungsfähigkeit mechanischer Maschinen, zum Beispiel von Wasserkraftmaschinen, ein Maximum erreicht. Noch heute ist der sogenannte Carnotsche Energieverlust beim unelastischen Stoß ein Begriff, der auf Lazare zurückgeht. Für Sadis Erweiterung derartiger Untersuchungen auf die Leistungsfähigkeit der zeitgemäßeren Wärmekraftmaschinen waren die schon in den Arbeiten seines Vaters für einfache Maschinen eingeführten Konzepte der reversiblen Bewegung, des Kreisprozesses und die angestrebte Universalität der Aussagen von entscheidender Bedeutung. Dies zeigt sich auch in der engen Verwandtschaft zwischen der Rolle des Wassers bei Lazares Wasserkraftmaschinen und der Rolle der Wärme bei Sadis Wärmekraftmaschinen. Sadis Überlegung, dass die "bewegende Kraft" einer Wärmekraftmaschine - in Analogie zur Wasserkraftmaschine - durch das "Herabfallen" der Wärme von dem hohen auf das niedrige Temperaturniveau erzeugt wird, war neuartig und für die weiteren Betrachtungen äußerst fruchtbar.

Sadi erkannte, dass das Temperaturgefälle die Wärmekraftmaschine antreibt und bestimmte ihren maximalen Wirkungsgrad allein in Abhängigkeit von den beiden Temperaturen. Danach benötigt jede Wärmekraftmaschine nicht nur eine Wärmequelle, sondern auch ein Kühlbad für die Abwärme. Wenn beide Wärmespeicher, Wärmequelle und Kühlbad, dieselbe Temperatur haben, das gesamte System sich also im thermischen Gleichgewicht befindet, ist keine Gewinnung mechanischer Leistung aus Wärme möglich; dies auch dann nicht, wenn zwar eine Wärmequelle, aber kein Kühlbad vorhanden ist. Diese Aussage ist der Kerngehalt des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Eine Maschine, von der behauptet wird, dass sie entgegen diesen Aussagen Wärme in mechanische Leistung umwandelt oder einen Wirkungsgrad größer als der Carnotsche hat, nennt man ein Perpetuum Mobile zweiter Art.

Sadi Carnot ist mit seiner Arbeit die wesentliche Erkenntnis des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik und zugleich die Begründung dieses Teilgebietes der Physik gelungen. Wenn auch heute nicht mehr mit Sicherheit nachgewiesen werden kann, dass das Manuskript der "Betrachtungen" tatsächlich während Sadis Besuch bei seinem Vater Lazare Carnot 1821 in Magdeburg entstanden ist, wie manche Quellen behaupten, so bleibt es doch eine faszinierende Vorstellung, dass Magdeburg nicht nur die Wirkungsstätte solcher Persönlichkeiten wie Otto von Guericke und Werner von Siemens war, sondern auch die Geburtsstätte des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.

Dr. Peter Streitenberger