Was ist Thermodynamik:
Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der die Beziehung zwischen Wärme, aufgebrachter Kraft (auch bekannt als Arbeit) und Energieübertragung untersucht.
Das Wort Thermodynamik kommt von den griechischen Wurzeln θερμο- (Thermo-) was 'Hitze' bedeutet, und αμικός (dynamikós), die sich wiederum aus αμις (dýnamis), was „Stärke“ oder „Macht“ bedeutet.
Thermodynamische Prozesse werden durch drei Grundgesetze bestimmt.
- Der erste Hauptsatz erlaubt uns zu verstehen, wie Energie erhalten wird.
- Der zweite Hauptsatz wird verwendet, um die Bedingungen zu kennen, die für die Energieübertragung erforderlich sind.
- Der dritte Hauptsatz dient dazu, das Verhalten von Systemen im Gleichgewicht zu kennen.
Das Verständnis thermodynamischer Prozesse ist in Bereichen wie der Industrietechnik wichtig, in denen große Energiemengen verwendet werden müssen, um mehrere Maschinen zu betreiben.
Die Gesetze der Thermodynamik erlauben es uns auch, die Funktionsweise von Systemen in Bereichen wie Biochemie, Kosmologie und Genetik zu verstehen.
Gesetze der Thermodynamik
Es gibt drei Gesetze in der Thermodynamik, die erklären, wie Wärme und Energie funktionieren und übertragen werden. Wir werden sie im Folgenden ausführlich erklären.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik
Der erste Hauptsatz befasst sich mit der Energieerhaltung: Energie wird weder erzeugt noch vernichtet, sie wird nur umgewandelt. Beispielsweise:
- Für eine Tankstelle wird Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt.
- Mit dieser elektrischen Energie kann die Batterie des Elektroautos aufgeladen werden.
- Das Elektroauto ist in der Lage, angesammelte Energie in Hubraum umzuwandeln.
Energie ist also immer in Bewegung.
Die vereinfachte Formel wäre folgende:
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik erlaubt zwei Dinge zu bestimmen:
- Die Richtung, in der die Energieübertragung stattfindet.
- Die Bedingungen, die für die Umkehrung des Prozesses erforderlich sind.
Daraus lernen wir, dass es reversible und irreversible Prozesse gibt.
Zum Beispiel vermischt sich Kochsalz spontan mit Wasser durch einen Prozess, der Verdünnung genannt wird. Dieser Vorgang setzt Wärme frei.
Um diesen Prozess umzukehren und Salzkristalle neu zu bilden, muss Wärme zugeführt werden, die das Wasser verdunsten und vom Salz trennen lässt. Das System nimmt Wärme auf.
Die vereinfachte Formel wäre folgende:
Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik kombiniert die beiden vorherigen Gesetze und wendet sie auf Systeme im absoluten Gleichgewicht an. In diesem Zustand gibt es einen minimalen Energieaustausch und einen maximalen Grad an Unordnung (oder Entropie).
Das dritte Gesetz wird auf geschlossene Systeme angewendet. Solche Systeme kommen nur in der theoretischen Physik und Chemie vor.
Die vereinfachte Formel wäre diese:
Systemtypen in der Thermodynamik
Um die Gesetze der Thermodynamik zu verstehen, ist es zunächst wichtig, die existierenden Systemtypen und deren Verhalten zu kennen.
Alles um uns herum besteht aus Systemen und die meisten Systeme, die wir kennen, tauschen Energie aus. Systeme werden in drei Typen eingeteilt: offen, geschlossen und isoliert.
- Offene Systeme: sie tauschen Energie und Materie mit der Außenwelt aus (zum Beispiel ein Lagerfeuer).
- Geschlossene Systeme: sie tauschen nur Energie mit der Außenwelt (zB einem Handy) aus.
- Isolierte Systeme: Sie tauschen weder Materie noch Energie aus (sie sind nur theoretisch).
Während der erste und zweite Hauptsatz der Thermodynamik für offene und geschlossene Systeme gelten, gilt der dritte Hauptsatz für isolierte Systeme.
Zustand eines Systems
Es gibt zwei grundlegende Zustände, in denen sich Systeme (unabhängig von ihrer Art) befinden können.
- Aktive Systeme: Bei einem Energieaustausch wird das System als aktiv bezeichnet.
- Ruhe- oder Gleichgewichtssysteme: findet kein Energieaustausch statt, gilt das System als ruhend oder im Gleichgewicht.
Wärme und Wärmeübertragung in der Thermodynamik
Wärme ist laut Physik der Energiefluss, der entsteht, wenn zwei Systeme unterschiedlicher Temperatur in Kontakt kommen. Das thermische Gleichgewicht ist erreicht, wenn alle beteiligten Systeme die gleiche Temperatur erreichen.
Wenn in thermodynamischen Systemen zwei von ihnen mit einem dritten System im Gleichgewicht stehen, dann stehen sie auch miteinander im Gleichgewicht. Daher ist die Temperatur beim Erreichen des Gleichgewichts konstant.
