Thermodynamik: Definition, Gesetze und Gleichungen

Für viele Menschen klingt Thermodynamik wie ein beängstigender Zweig der Physik, den nur die klugen Leute verstehen können. Aber mit etwas Grundwissen und ein bisschen Arbeit kann jeder dieses Studienfach verstehen.

Die Thermodynamik ist ein Teilgebiet der Physik, das die Vorgänge in physikalischen Systemen durch die Übertragung von Wärmeenergie untersucht. Physiker von Sadi Carnot über Rudolf Clausius und James Clerk Maxwell bis Max Planck haben an seiner Entwicklung mitgewirkt.

Das Wort "Thermodynamik" kommt von den griechischen Wurzeln Thermosflasche, was heiß oder warm bedeutet, und Dynamikos, was kraftvoll bedeutet, obwohl spätere Interpretationen der Wurzel ihr die Bedeutung von Aktion und Bewegung zuschreiben. Im Wesentlichen ist Thermodynamik das Studium der Wärmeenergie in Bewegung.

Die Thermodynamik beschäftigt sich damit, wie Wärmeenergie erzeugt und in verschiedene Energieformen wie beispielsweise mechanische Energie umgewandelt werden kann. Es untersucht auch den Begriff der Ordnung und Unordnung in physikalischen Systemen sowie die Energieeffizienz verschiedener Prozesse.

Ein tiefgreifendes Studium der Thermodynamik stützt sich auch stark auf Statistische Mechanik um die kinetische Theorie zu verstehen und so weiter. Die Grundidee ist, dass thermodynamische Prozesse im Hinblick darauf verstanden werden können, was alle kleinen Moleküle in einem System tun.

Das Problem ist jedoch, dass es unmöglich ist, die individuelle Wirkung jedes Moleküls zu beobachten und zu erklären, daher werden stattdessen statistische Methoden mit großer Genauigkeit angewendet.

Einige grundlegende Arbeiten zur Thermodynamik wurden bereits im 17. Jahrhundert entwickelt. Das von Robert Boyle entwickelte Boyle-Gesetz bestimmt die Beziehung zwischen Druck und Volumen, die schließlich in Kombination mit dem Charles-Gesetz und dem Gay-Lussac-Gesetz zum idealen Gasgesetz führte.

Erst 1798 wurde Wärme von Graf Rumford (alias Sir Benjamin Thompson) als Energieform verstanden. Er beobachtete, dass die erzeugte Wärme proportional zur beim Drehen eines Bohrwerkzeugs geleisteten Arbeit war.

In den frühen 1800er Jahren leistete der französische Militäringenieur Sadi Carnot beträchtliche Arbeit in Entwicklung des Konzepts eines Wärmekraftmaschinenkreislaufs sowie der Idee der Reversibilität in einem thermodynamischen Prozess. (Einige Prozesse funktionieren genauso gut zeitlich rückwärts wie zeitlich vorwärts; diese Prozesse werden als reversibel bezeichnet. Viele andere Prozesse funktionieren nur in eine Richtung.)

Carnots Arbeit führte zur Entwicklung der Dampfmaschine.

Später formulierte Rudolf Clausius den ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, die später in diesem Artikel beschrieben werden. Das Gebiet der Thermodynamik entwickelte sich im 19. Jahrhundert schnell, als Ingenieure daran arbeiteten, Dampfmaschinen effizienter zu machen.

Zu den thermodynamischen Eigenschaften und Größen gehören:

• Hitze, das ist Energie, die zwischen Objekten bei unterschiedlichen Temperaturen übertragen wird.
• Temperatur, die ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie pro Molekül in einem Stoff ist.
• Innere Energie, das ist die Summe der kinetischen Energie und der potentiellen Energie eines Moleküls in einem System von Molekülen.
• Druck, die ein Maß für die Kraft pro Flächeneinheit auf einen Behälter ist, der eine Substanz enthält.
• Volumen ist der dreidimensionale Raum, den ein Stoff einnimmt.
• Mikrozustände sind die Zustände, in denen sich einzelne Moleküle befinden.
• Makrozustände sind die größeren Zustände, in denen sich Ansammlungen von Molekülen befinden.
• Entropie ist ein Maß für die Störung in einer Substanz. Es wird mathematisch in Bezug auf Mikrozustände oder äquivalent in Bezug auf Wärme- und Temperaturänderungen definiert.

Beim Studium der Thermodynamik werden viele verschiedene wissenschaftliche Begriffe verwendet. Um Ihre eigenen Recherchen zu vereinfachen, hier eine Liste mit Definitionen häufig verwendeter Begriffe:

• Thermisches Gleichgewicht oder thermodynamisches Gleichgewicht: Ein Zustand, in dem alle Teile eines geschlossenen Systems die gleiche Temperatur haben.
• Absoluter Nullpunkt Kelvin: Kelvin ist die SI-Einheit für Temperatur. Der niedrigste Wert auf dieser Skala ist null oder absolut null. Es ist die kälteste mögliche Temperatur.
• Thermodynamisches System: Jedes geschlossene System, das Wechselwirkungen und den Austausch von Wärmeenergie enthält.
• Isoliertes System: Ein System, das keine Energie mit etwas außerhalb austauschen kann.
• Wärmeenergie oder Wärmeenergie: Es gibt viele verschiedene Energieformen; unter ihnen ist thermische Energie, die mit der kinetischen Bewegung der Moleküle in einem System verbunden ist.
• Gibbs freie Energie: Ein thermodynamisches Potenzial, das verwendet wird, um die maximale Menge an reversibler Arbeit in einem System zu bestimmen.
• Spezifische Wärmekapazität: Die Menge an Wärmeenergie, die erforderlich ist, um die Temperatur einer Masseneinheit eines Stoffes um 1 Grad zu ändern. Sie hängt von der Art des Stoffes ab und ist eine Zahl, die normalerweise in Tabellen nachgeschlagen wird.
• Ideales Gas: Ein vereinfachtes Gasmodell, das für die meisten Gase bei Standardtemperatur und -druck gilt. Es wird angenommen, dass die Gasmoleküle selbst in vollkommen elastischen Stößen kollidieren. Es wird auch angenommen, dass die Moleküle so weit voneinander entfernt sind, dass sie wie Punktmassen behandelt werden können.

Es gibt drei Haupt Gesetze der Thermodynamik (genannt erstes Gesetz, zweites Gesetz und drittes Gesetz), aber es gibt auch ein nulltes Gesetz. Diese Gesetze werden wie folgt beschrieben:

Das nullter Hauptsatz der Thermodynamik ist wahrscheinlich am intuitivsten. Sie besagt, dass, wenn Stoff A mit Stoff B im thermischen Gleichgewicht ist und Stoff B im thermischen Gleichgewicht ist Gleichgewicht mit Stoff C, dann muss sich Stoff A im thermischen Gleichgewicht befinden mit Substanz C.

Das erster Hauptsatz der Thermodynamik ist im Grunde eine Aussage des Energieerhaltungssatzes. Sie besagt, dass die Änderung der inneren Energie eines Systems gleich der Differenz zwischen der in das System abgegebenen Wärmeenergie und der vom System an seine Umgebung geleisteten Arbeit ist.

Das Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik, manchmal auch als das Gesetz bezeichnet, das einen Zeitpfeil impliziert – besagt, dass die Gesamtentropie in einem geschlossenen System mit fortschreitender Zeit nur konstant bleiben oder zunehmen kann. Entropie kann man sich locker als Maß für die Unordnung eines Systems vorstellen, und dieses Gesetz kann man sich denken um zu sagen, dass „Dinge dazu neigen, sich zu vermischen, je mehr man sie aufrüttelt, im Gegensatz zu“ unvermischt.“

Das dritter Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass sich die Entropie eines Systems einem konstanten Wert nähert, wenn sich die Temperatur eines Systems dem absoluten Nullpunkt nähert. Da am absoluten Nullpunkt keine Molekülbewegung stattfindet, ist es sinnvoll, dass sich die Entropie an diesem Punkt nicht ändert.

Die Thermodynamik bedient sich der statistischen Mechanik. Dies ist ein Zweig der Physik, der Statistiken sowohl auf die klassische als auch auf die Quantenphysik anwendet.

Die statistische Mechanik ermöglicht es Wissenschaftlern, mit makroskopischen Größen einfacher zu arbeiten als mit mikroskopischen Größen. Betrachten Sie zum Beispiel die Temperatur. Sie ist definiert als die durchschnittliche kinetische Energie pro Molekül in einem Stoff.

Was wäre, wenn Sie stattdessen die tatsächliche kinetische Energie jedes Moleküls bestimmen und darüber hinaus jede Kollision zwischen Molekülen verfolgen müssten? Es wäre fast unmöglich, weiterzukommen. Stattdessen werden statistische Techniken verwendet, die ein Verständnis von Temperatur, Wärmekapazität usw. als größere Eigenschaften eines Materials ermöglichen.

Diese Eigenschaften beschreiben das durchschnittliche Verhalten innerhalb des Materials. Das gleiche gilt für Größen wie Druck und Entropie.

EIN Wärmekraftmaschine ist ein thermodynamisches System, das Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt. Dampfmaschinen sind ein Beispiel für eine Wärmekraftmaschine. Sie arbeiten, indem sie einen Kolben mit hohem Druck bewegen.

Wärmekraftmaschinen arbeiten mit einer Art vollständigen Zyklus. Sie haben eine Art Wärmequelle, die normalerweise als Wärmebad bezeichnet wird und die es ihnen ermöglicht, Wärmeenergie aufzunehmen. Diese Wärmeenergie verursacht dann eine Art thermodynamische Änderung innerhalb des Systems, wie z. B. die Erhöhung des Drucks oder die Ausdehnung eines Gases.

Wenn sich ein Gas ausdehnt, wirkt es auf die Umwelt. Manchmal sieht dies so aus, als würde sich ein Kolben in einem Motor bewegen. Am Ende eines Zyklus wird ein Kühlbad verwendet, um das System wieder an seinen Ausgangspunkt zu bringen.

Wärmekraftmaschinen nehmen Wärmeenergie auf, verrichten damit nützliche Arbeit und geben während des Prozesses auch Wärmeenergie an die Umgebung ab oder geben sie ab. Das Effizienz einer Wärmekraftmaschine ist definiert als das Verhältnis der Nutzarbeitsleistung zur Nettowärmeleistung.

Es überrascht nicht, dass Wissenschaftler und Ingenieure ihre Wärmekraftmaschinen so effizient wie möglich gestalten wollen – also maximale Mengen der zugeführten Wärmeenergie in nützliche Arbeit umwandeln. Sie könnten denken, dass die effizienteste Wärmekraftmaschine 100 Prozent effizient ist, aber das ist falsch.

Tatsächlich ist der maximale Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine begrenzt. Die Effizienz hängt nicht nur von der Art der Prozesse im Kreislauf, auch wenn die bestmögliche Prozesse (umkehrbare) verwendet werden, hängt die Effizienz einer Wärmekraftmaschine von der relativen Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmebad und dem Kühlbad ab.

Diese maximale Effizienz wird Carnot-Effizienz genannt und ist die Effizienz von a Carnot-Zyklus, bei dem es sich um einen Wärmekraftmaschinenzyklus handelt, der aus vollständig reversiblen Prozesse.

Es gibt viele Anwendungen der Thermodynamik, um Prozesse im Alltag gesehen. Nehmen Sie zum Beispiel Ihren Kühlschrank. Ein Kühlschrank arbeitet nach einem thermodynamischen Kreislauf.

Zuerst komprimiert ein Kompressor Kältemitteldampf, was einen Druckanstieg verursacht und ihn nach vorne in Spulen an der äußeren Rückseite Ihres Kühlschranks drückt. Wenn Sie diese Spulen fühlen, fühlen sie sich warm an.

Durch die Umgebungsluft kühlen sie ab und das heiße Gas wird wieder flüssig. Diese Flüssigkeit kühlt unter hohem Druck ab, während sie in Spiralen im Kühlschrank fließt, Wärme aufnimmt und die Luft abkühlt. Sobald es heiß genug ist, verdampft es wieder zu Gas und gelangt zurück in den Kompressor, und der Zyklus wiederholt sich.

Nach ähnlichen Prinzipien arbeiten Wärmepumpen, die Ihr Haus heizen und kühlen können.