Physik: Thermodynamik – Wärmelehre

Gehört zu: Physik
Siehe auch: Quantenmechanik, Physikalische Größen

Die Thermodynamik

Die Thermodynamik oder Wärmelehre ist eine natur- und ingenieurwissenschaftliche Disziplin. Sie hat ihren Ursprung im Studium der Dampfmaschinen und ging der Frage nach, wie man Wärme in mechanische Arbeit umwandeln kann.

In der Thermodynamik (=Wärmelehre) werden wir erstmals irreversible Prozesse sehen. So etwas gab es in der klassischen Mechanik nicht.

Es gibt zwei Ansätze in der Thermodynamik: die statistische Sicht und die Phänomenologische.  Statistisch werden ganz viele “mikroskopische” Prozesse verhandelt – Phänomenologisch geht es um die nach außen sichtbaren “makroskopischen” Prozesse.  Die physikalische Größe “Temperatur” wird in der Therrmodynamik neu in die Physik eingeführt und ist eben eine “makroskopische” Größe.

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Stichworte:

  • Wärme, Temperatur, Entropie
  • Ideales Gas
  • Irreversible Prozesse
  • Perpetuum mobile
  • Dampfmaschine
  • Gleichgewicht
  • Freiheitsgrade

Ideale Gase

Sind hinreichend verdünnte Gase, sodass ausser bei Kollisionen von Molekülen kleinerlei Wechselwirkung zwischen ihnen geschieht.
Das bedeutet u.a., dass wir weit entfernt von Phasenübergängen (fest – flüssig – gasförmig) sein müssen.

Zustandsgleichung für ideale Gase:

\( p \cdot V = n \cdot R \cdot T  \)

Wobei R die allgemeine Gaskonstante (8,31 * 103 Joule/(kmol*Kelvin)) ist und n die Stoffmenge (messen wir in kilo-mol) ist.
Interessant dabei ist, das dies unabhängig von der Art des gases ist – also Helium, Stickstoff etc.  Es muß einfach nur ein “ideales Gas” sein.

Umgekehrt sagen wir, ein Gas ist dann “ideal”, wenn es dieser Gleichung genügt.

Ein weitergehendes Konzept ist das von Flüssigkeiten. Die werden im physikalischen Teilgebiet Hydrodynamik behandelt. Von der Flüssigkeit spicht man, wenn die mittlere freie Weglänge der Teilchen sehr, sehr klein gegenüber der Größe des betrachteten Systems ist.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist eine besondere Form des Energieerhaltungssatzes der Mechanik. … In Worten bedeutet dies: Die Änderung der inneren Energie eines geschlossenen Systems ist gleich der Summe der Änderung der Wärme und der Änderung der Arbeit.

Zweiter Haupsatz der Thermodynamik

Vorzugsrichtung von Prozessen. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik in der Formulierung von Clausius lautet: „Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist.

So etwas wird auch gerne durch den Begriff der Entropie formuliert.

Boltzmann

Der österreichische Physiker Ludwig Bolzmann (1844-1906) beschreibt mit seiner “Boltzmann-Gleichung” die Dynamik eines idealen Gases.

als:

Die Boltzmann-Konstante

Thermisches Gleichgewicht