Was Ist Thermodynamik?

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Thermodynamik ist der zweig der physik, der sich mit den beziehungen zwischen wärme und anderen energieformen beschäftigt.

Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der sich mit den Beziehungen zwischen Wärme und anderen Energieformen beschäftigt. Insbesondere wird beschrieben, wie thermische Energie in und von anderen Energieformen umgewandelt wird und wie sie auf Materie wirkt.

Wärmeenergie ist die Energie, die eine Substanz oder ein System aufgrund seiner Temperatur hat, d. H. Der Energie von sich bewegenden oder vibrierenden Molekülen gemäß der Energy Education-Website der Texas Education Agency. Thermodynamik beinhaltet die Messung dieser Energie, die laut David McKee, Physik-Professor an der Missouri Southern State University, "äußerst kompliziert" sein kann. "Die Systeme, die wir in der Thermodynamik untersuchen, bestehen aus einer sehr großen Anzahl von Atomen oder Molekülen, die auf komplizierte Weise interagieren. Wenn diese Systeme jedoch die richtigen Kriterien erfüllen, die wir als Gleichgewicht bezeichnen, können sie mit einer sehr geringen Anzahl von Messungen beschrieben werden Diese Werte werden oft idealisiert als Masse des Systems, Druck des Systems und Volumen des Systems oder eine andere äquivalente Menge von Zahlen. Drei Zahlen beschreiben 1026 oder 1030 nominale unabhängige Variablen. "

Hitze

Die Thermodynamik befasst sich also mit mehreren Eigenschaften der Materie; unter diesen ist vor allem Wärme. Wärme ist Energie, die zwischen Stoffen oder Systemen aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen ihnen übertragen wird, laut Energy Education. Als Energieform wird Wärme gespeichert, d. H. Sie kann nicht erzeugt oder zerstört werden. Es kann jedoch von einem Ort zum anderen übertragen werden. Wärme kann auch in andere Energieformen umgewandelt werden. Zum Beispiel kann eine Dampfturbine Wärme in Bewegungsenergie umwandeln, um einen Generator zu betreiben, der Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Eine Glühbirne kann diese elektrische Energie in elektromagnetische Strahlung (Licht) umwandeln, die, wenn sie von einer Oberfläche absorbiert wird, wieder in Wärme umgewandelt wird.

Temperatur

Die Menge an Wärme, die von einer Substanz übertragen wird, hängt von der Geschwindigkeit und Anzahl der sich bewegenden Atome oder Moleküle ab. Je schneller sich die Atome oder Moleküle bewegen, desto höher ist die Temperatur und je mehr Atome oder Moleküle sich bewegen, desto größer ist die Wärmemenge, die sie übertragen.

Die Temperatur ist "ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen in einer Materialprobe, ausgedrückt in Einheiten oder Graden, die auf einer Standardskala angegeben sind", gemäß dem American Heritage Dictionary. Die am häufigsten verwendete Temperaturskala ist Celsius, die auf den Gefrier- und Siedepunkten des Wassers basiert, wobei jeweils 0° C und 100° C zugewiesen werden. Die Fahrenheitsskala basiert auch auf den zugewiesenen Gefrier- und Siedepunkten des Wassers Werte von 32 F bzw. 212 F.

Wissenschaftler weltweit verwenden jedoch die Kelvin-Skala (K ohne Gradzeichen), die nach William Thomson, 1. Baron Kelvin, benannt wurde, weil sie in Berechnungen funktioniert. Diese Skala verwendet das gleiche Inkrement wie die Celsius-Skala, dh eine Temperaturänderung von 1° C ist gleich 1 K. Die Kelvin-Skala beginnt jedoch mit dem absoluten Nullpunkt, der Temperatur, bei der die Wärmeenergie vollständig fehlt, und alle molekularen Bewegung stoppt. Eine Temperatur von 0 K entspricht minus 459,67 F oder minus 273,15 C.

Spezifische Wärme

Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur einer bestimmten Masse eines Stoffes um eine bestimmte Menge zu erhöhen, wird gemäß Wolfram Research als spezifische Wärme oder spezifische Wärmekapazität bezeichnet. Die übliche Einheit hierfür sind Kalorien pro Gramm pro Kelvin. Die Kalorie ist definiert als die Menge an Wärmeenergie, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser bei 4° C um 1 Grad zu erhöhen.

Die spezifische Wärme eines Metalls hängt fast ausschließlich von der Anzahl der Atome in der Probe ab, nicht von deren Masse. Beispielsweise kann ein Kilogramm Aluminium etwa siebenmal mehr Wärme aufnehmen als ein Kilogramm Blei. Bleiatome können jedoch nur etwa 8 Prozent mehr Wärme aufnehmen als eine gleiche Anzahl von Aluminiumatomen. Eine gegebene Masse an Wasser kann jedoch fast fünfmal so viel Wärme aufnehmen wie eine gleiche Masse an Aluminium. Die spezifische Wärme eines Gases ist komplexer und hängt davon ab, ob es bei konstantem Druck oder konstantem Volumen gemessen wird.

Wärmeleitfähigkeit

Wärmeleitfähigkeit (k) ist "die Geschwindigkeit, mit der Wärme ein bestimmtes Material durchdringt, ausgedrückt als Wärmemenge, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit mit einem Temperaturgradienten von einem Grad pro Einheitsabstand fließt", gemäß dem Oxford-Wörterbuch. Die Einheit für k ist Watt (W) pro Meter (m) pro Kelvin (K). Werte von k für Metalle wie Kupfer und Silber sind sie mit 401 bzw. 428 W / m · K relativ hoch. Diese Eigenschaft macht diese Materialien für Automobilkühler und Kühlrippen für Computerchips nützlich, da sie Wärme schnell abführen und mit der Umgebung austauschen können. Der höchste Wert von k Für jede natürliche Substanz liegt Diamant bei 2.200 W / m · K.

Andere Materialien sind nützlich, da sie extrem schlechte Wärmeleiter sind. Diese Eigenschaft wird als Wärmewiderstand bezeichnet R-Wert, der die Geschwindigkeit beschreibt, mit der Wärme durch das Material übertragen wird. Diese Materialien wie Steinwolle, Gänsedaunen und Styropor werden zur Isolierung von Gebäudewänden, Wintermänteln und thermischen Kaffeebechern verwendet. R-Wert ist in Einheiten von Quadratfuß mal Grad Fahrenheit mal Stunden pro britischer thermischer Einheit (ft2·° F · h / Btu) für eine 1 Zoll dicke Platte.

Newtons Kühlungsgesetz

Sir Isaac Newton hat 1701 in einem kurzen Artikel mit dem Titel "Scala graduum Caloris" ("Eine Skala der Hitzegrade") in den Philosophischen Transaktionen der Royal Society zum ersten Mal sein Gesetz der Kühlung formuliert. Newtons Aussage des Gesetzes übersetzt aus dem ursprünglichen Latein als "das Übermaß der Hitzegrade... befanden sich im geometrischen Fortschritt, wenn sich die Zeiten in einem arithmetischen Fortschritt befinden". Das Worcester Polytechnic Institute gibt eine modernere Version des Gesetzes an, da "die Änderungsrate der Temperatur proportional zur Differenz zwischen der Temperatur des Objekts und der Umgebung ist".

Dies führt zu einem exponentiellen Abfall der Temperaturdifferenz. Wenn zum Beispiel ein warmes Objekt innerhalb eines bestimmten Zeitraums in ein kaltes Bad gestellt wird, nimmt der Temperaturunterschied um die Hälfte ab. In derselben Zeit nimmt die verbleibende Differenz erneut um die Hälfte ab. Diese wiederholte Halbierung der Temperaturdifferenz wird in gleichen Zeitintervallen fortgesetzt, bis sie zu klein wird, um gemessen zu werden.

Wärmeübertragung

Wärme kann von einem Körper zum anderen oder zwischen einem Körper und der Umgebung auf drei verschiedene Arten übertragen werden: Leitung, Konvektion und Strahlung. Leitung ist die Übertragung von Energie durch ein festes Material. Eine Verbindung zwischen Körpern tritt auf, wenn sie sich in direktem Kontakt befinden und Moleküle ihre Energie über die Grenzfläche übertragen.

Konvektion ist die Übertragung von Wärme zu oder von einem flüssigen Medium. Moleküle in einem Gas oder einer Flüssigkeit, die mit einem Festkörper in Kontakt stehen, übertragen oder absorbieren Wärme von diesem Körper oder von diesem und bewegen sich dann weg, sodass sich andere Moleküle an Ort und Stelle bewegen und den Vorgang wiederholen können. Die Effizienz kann verbessert werden, indem die zu erwärmende oder zu kühlende Oberfläche wie bei einem Kühler vergrößert wird und das Fluid wie bei einem Lüfter über die Oberfläche bewegt wird.

Strahlung ist die Emission elektromagnetischer (EM) Energie, insbesondere Infrarotphotonen, die Wärmeenergie transportieren. Alle Materie emittiert und absorbiert einige EM-Strahlung, deren Nettobetrag entscheidet, ob dies einen Verlust oder Gewinn an Wärme verursacht.

Der Carnot-Zyklus

1824 schlug Nicolas Léonard Sadi Carnot ein Modell für eine Wärmekraftmaschine vor, die auf dem sogenannten Carnot-Zyklus basiert. Der Zyklus nutzt die Beziehungen zwischen Druck, Volumen und Temperatur von Gasen und wie ein Energieeintrag die Form verändern kann und außerhalb des Systems funktioniert.

Das Komprimieren eines Gases erhöht seine Temperatur, so dass es heißer wird als seine Umgebung. Die Wärme kann dann mit einem Wärmetauscher dem heißen Gas entzogen werden. Wenn Sie sich ausdehnen lassen, kühlt es ab. Dies ist das Grundprinzip der Wärmepumpen für Heizung, Klimatisierung und Kühlung.

Umgekehrt erhöht das Erhitzen eines Gases seinen Druck, so dass es sich ausdehnt. Der ausgedehnte Druck kann dann zum Antreiben eines Kolbens verwendet werden, wodurch Wärmeenergie in kinetische Energie umgewandelt wird. Dies ist das Grundprinzip von Wärmekraftmaschinen.

Entropie

Alle thermodynamischen Systeme erzeugen Abwärme. Diese Verschwendung führt zu einer Zunahme der Entropie, was für ein geschlossenes System "ein quantitatives Maß für die Menge an Wärmeenergie ist, die nicht zur Verfügung steht", gemäß dem American Heritage Dictionary. Entropie in jedem geschlossenen System immer erhöht sich; es noch nie sinkt. Außerdem erzeugen bewegliche Teile aufgrund von Reibung Abwärme, und Strahlungswärme tritt zwangsläufig aus dem System aus.

Dies macht sogenannte Perpetual-Motion-Maschinen unmöglich. Siabal Mitra, Professor für Physik an der Missouri State University, erklärt: "Man kann keine Engine bauen, die zu 100 Prozent effizient ist, was bedeutet, dass man keine Maschine für die ununterbrochene Bewegung bauen kann. Allerdings gibt es viele Leute, die immer noch nicht abschrecken." Ich glaube es nicht, und es gibt Leute, die immer noch versuchen, Maschinen für die ständige Bewegung zu bauen. "

Entropie wird auch definiert als "ein Maß für die Unordnung oder Zufälligkeit in einem geschlossenen System", das ebenfalls unaufhaltsam zunimmt. Sie können warmes und kaltes Wasser mischen. Da jedoch eine große Tasse warmes Wasser ungeordneter ist als zwei kleinere Tassen mit heißem und kaltem Wasser, können Sie sie niemals in heiß und kalt trennen, ohne dem System Energie zuzufügen. Anders ausgedrückt: Sie können ein Ei nicht entschlüsseln oder Sahne aus Ihrem Kaffee entfernen. Während einige Prozesse vollständig reversibel zu sein scheinen, ist dies in der Praxis tatsächlich keiner. Die Entropie liefert uns also einen Zeitpfeil: Vorwärts ist die Richtung der zunehmenden Entropie.

Die vier Gesetze der Thermodynamik

Die grundlegenden Prinzipien der Thermodynamik wurden ursprünglich in drei Gesetzen ausgedrückt. Später wurde entschieden, dass ein grundlegenderes Gesetz vernachlässigt worden war, offenbar weil es so offensichtlich schien, dass es nicht explizit angegeben werden musste. Um ein komplettes Regelwerk zu bilden, haben die Wissenschaftler entschieden, dass dieses grundlegendste Gesetz aufgenommen werden muss. Das Problem war jedoch, dass die ersten drei Gesetze bereits festgelegt waren und unter ihren zugewiesenen Nummern bekannt waren. Bei der Aussicht, die bestehenden Gesetze neu zu nummerieren, was zu erheblicher Verwirrung führen würde, oder das übergeordnete Gesetz an das Ende der Liste zu setzen, was keinen logischen Sinn ergibt, kam der britische Physiker Ralph H. Fowler dazu Eine Alternative, die das Dilemma gelöst hat: Er nannte das neue Gesetz das "Zeroth-Gesetz". In Kürze sind diese Gesetze:

Das Zeroth-Gesetz Wenn zwei Körper sich mit einem dritten Körper im thermischen Gleichgewicht befinden, dann stehen sie auch im Gleichgewicht. Dies legt die Temperatur als eine grundlegende und messbare Eigenschaft der Materie fest.

Das erste Gesetz stellt fest, dass der Gesamtzuwachs der Energie eines Systems gleich dem Anstieg der Wärmeenergie plus der an dem System geleisteten Arbeit ist. Dies besagt, dass Wärme eine Energieform ist und daher dem Prinzip der Erhaltung unterliegt.

Das zweite Gesetz stellt fest, dass Wärmeenergie nicht ohne Energiezugabe von einem Körper mit niedrigerer Temperatur auf einen Körper mit höherer Temperatur übertragen werden kann. Deshalb kostet es Geld, eine Klimaanlage zu betreiben.

Das dritte Gesetz besagt, dass die Entropie eines reinen Kristalls am absoluten Nullpunkt Null ist. Wie oben erläutert, wird Entropie manchmal als "Verschwendung von Energie" bezeichnet, d. H. Energie, die nicht in der Lage ist zu arbeiten, und da bei absolutem Nullpunkt keinerlei Wärmeenergie vorhanden ist, kann keine Verschwendung von Energie entstehen. Entropie ist auch ein Maß für die Unordnung in einem System, und während ein perfekter Kristall per Definition perfekt geordnet ist, bedeutet jeder positive Temperaturwert Bewegung im Kristall, was zu Unordnung führt. Aus diesen Gründen kann es kein physisches System mit niedriger Entropie geben, daher hat Entropie immer einen positiven Wert.

Die Wissenschaft der Thermodynamik wurde im Laufe der Jahrhunderte entwickelt, und ihre Prinzipien gelten für fast jedes Gerät, das jemals erfunden wurde. Seine Bedeutung in der modernen Technologie kann nicht genug betont werden.

Zusätzliche Ressourcen

  • Einige der größten Köpfe der Wissenschaftsgeschichte haben zur Entwicklung der Thermodynamik beigetragen. Eine Liste namhafter Pioniere auf diesem Gebiet finden Sie auf der Website der University of Waterloo.
  • Energieerziehung ist eine interaktive Ergänzung des Lehrplans für Schüler der Sekundarstufe.
  • Eric Weissteins Wissenschaftswelt enthält Enzyklopädien aus Astronomie, wissenschaftlicher Biografie, Chemie und Physik.
Was Ist Thermodynamik?

FAQ - 💬

❓ Was sagt die Thermodynamik aus?

👉 Die Thermodynamik bringt die Prozessgrößen Wärme und Arbeit an der Systemgrenze mit den Zustandsgrößen in Zusammenhang, welche den Zustand des Systems beschreiben.Em cache

❓ Was ist der Hauptsatz der Thermodynamik?

👉 Er lautet für den Übergang eines geschlossenen Systems vom Zustand A nach B: 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.

❓ Ist Thermodynamik wirklich so schwer?

👉 Die Thermodynamik wird im ersten Moment von den Studierenden im allgemeinen als eines der schwierigeren Wissensgebiete angesehen.

❓ Wie lautet der 3 Hauptsatz der Thermodynamik?

👉 Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, daß der absolute Nullpunkt der Temperatur durch keinen Prozeß mit einer begrenzten Anzahl von Schritten erreicht werden kann. Man kann sich dem absoluten Nullpunkt beliebig nähern, ihn aber nie erreichen.

❓ Warum ist Thermodynamik wichtig?

👉 Geht es um die Berechnung von Heizungs- oder Kälteanlagen, spielt die Thermodynamik eine wichtige Rolle. Denn die sogenannte Wärmelehre beschreibt, wie verschiedene Zustandsgrößen aufeinander reagieren. Ein Beispiel: Steigt der Druck in einem geschlossenen System, nimmt auch dessen Temperatur zu.

❓ Wo spielt Thermodynamik eine Rolle?

👉 Heute spielt die Thermodynamik vor allem in der Energietechnik eine Rolle.Es gibt zwei grundlegende Zugänge zur Thermodynamik: Die phänomenologische Thermodynamik geht von den makroskopisch direkt beobachtbaren Phänomenen aus. Dabei werden die physikalischen Größen Temperatur und Wärmemenge neu eingeführt.

❓ Was ist Thermodynamik?

👉 Thermodynamik, Teilgebiet der Physik und der physikalischen Chemie, das sich mit Aussagen über die Eigenschaften thermodynamischer Systeme beschäftigt. Der Zustand eines solchen stofflichen Systems wird durch Sätze von Parametern ( Zustandsgröße) eindeutig beschrieben.

❓ Was sind die wichtigsten Konzepte in der Thermodynamik?

👉 Wichtige Konzepte in der Thermodynamik: System und Umgebung, Innere Energie, Wärme und Arbeit, Entropie Was ist Thermodynamik? Thermodynamik ist ein Teilbereich der Physik, der sich mit der Wechselwirkung zwischen Wärme, Arbeit und Energie befasst.

❓ Was ist der Unterschied zwischen Physik und Thermodynamik?

👉 Thermodynamik ist sowohl ein Teil der Physik als auch der Chemie. In der Physik befasst sie sich mit Wärme und Energie und ihren Wechselwirkungen, während sie in der Chemie die Energieveränderungen bei chemischen Reaktionen untersucht. Was betrachtet die klassische Thermodynamik hauptsächlich?

❓ Was sind die Hauptsätze der Thermodynamik?

👉 Eine zentrale Bedeutung haben die Hauptsätze der Thermodynamik, die eine ähnliche Stellung einnehmen wie die Newtonschen Axiome in der klassischen Mechanik oder die Maxwell-Gleichungen in der Elektrodynamik . Der erste Hauptsatz besagt, dass die gesamte Energie in einem abgeschlossenen System konstant ist.


Videoergänzungsan: Was ist Thermodynamik? (Einführung) [GdT] [DE].




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