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Thermodynamik

Thermodynamik

Thermodynamik ist der Zweig der klassischen Physik, der die thermodynamischen Umwandlungen untersucht und beschreibt, die durch Wärme induziert werden und in einem thermodynamischen System arbeiten, als Folge von Prozessen, die Änderungen der Zustandsvariablen Temperatur und Energie beinhalten.

Klassische Thermodynamik basiert auf dem Konzept des makroskopischen Systems, dh ein Teil der physikalischen Masse oder konzeptionell von der äußeren Umgebung getrennt, die oft aus Bequemlichkeit angenommen wird, die nicht durch den Austausch von Energie mit dem System gestört wird. Der Zustand eines makroskopischen Systems, das sich im Gleichgewichtszustand befindet, wird durch Größen angegeben, die als thermodynamische Variablen oder Zustandsfunktionen wie Temperatur, Druck, Volumen und chemische Zusammensetzung bezeichnet werden. Die wichtigsten Notationen in der chemischen Thermodynamik wurden von der internationalen Union der reinen und angewandten Chemie festgelegt.

Es gibt jedoch einen Zweig der Thermodynamik, Thermodynamik des Nichtgleichgewichts genannt, der die thermodynamischen Prozesse untersucht, die durch die Unfähigkeit gekennzeichnet sind, stabile Gleichgewichtsbedingungen zu erreichen.

Gesetze der Thermodynamik

Die Prinzipien der Thermodynamik wurden während des neunzehnten Jahrhunderts formuliert und regulieren die thermodynamischen Transformationen, ihre Fortschritte, ihre Grenzen. Sie sind echte Axiome, unbewiesen und unbeweisbar, basierend auf Erfahrung, auf der die ganze Theorie der Thermodynamik beruht.

Wir können drei Grundprinzipien unterscheiden, plus ein "Null" -Prinzip, das die Temperatur definiert und das in den anderen dreien enthalten ist.

Nullgesetz der Thermodynamik

Wenn zwei wechselwirkende Systeme im thermischen Gleichgewicht sind, teilen sie einige Eigenschaften, die gemessen werden können, was ihnen einen genauen numerischen Wert gibt. Wenn sich also zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten befinden, stehen sie im Gleichgewicht miteinander und die gemeinsame Eigenschaft ist die Temperatur. Das Nullprinzip der Thermodynamik sagt einfach, dass, wenn ein Körper "A" im thermischen Gleichgewicht mit einem Körper "B" steht und "B" im thermischen Gleichgewicht mit einem Körper "C" steht, dann "A" und "C" sind im thermischen Gleichgewicht Gleichgewicht zwischen ihnen.

Dieses Prinzip erklärt die Tatsache, dass zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen, zwischen denen Wärme ausgetauscht wird (selbst wenn dieses Konzept beim Null-Prinzip nicht vorhanden ist), die gleiche Temperatur erreichen.

In der kinetischen Prinzip Null Formulierung der Thermodynamik eine Tendenz, eine ‚gemeinsame durchschnittliche kinetische Energie der Atome und Moleküle der Körper, zwischen denen Wärmeaustausch trägt zu erreichen: im Durchschnitt als Ergebnis von Kollisionen der Partikel Körperwärmer im Durchschnitt schneller, mit Partikeln kälteren Körpern, langsamere Durchschnittsleistung wird von dem ersten zur zweiten verläuft werden, tendenziell gleich Temperaturen. Die Effizienz des Energieaustausches bestimmt spezifische Wärme der beteiligten Elemente.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Wenn ein Körper in Kontakt mit einem relativ kälteren Körper gebracht wird, findet eine Umwandlung statt, die zu einem Gleichgewichtszustand führt, in dem die Temperaturen der beiden Körper gleich sind. Um dieses Phänomen zu erklären, nahmen Wissenschaftler des achtzehnten Jahrhunderts an, dass eine Substanz, die im heißesten Körper in größeren Mengen vorhanden ist, an den kältesten Körper weitergegeben wurde.Diese hypothetische Substanz, kalorische genannt, wurde als eine Flüssigkeit gedacht, die fähig ist, sich durch die Masse zu bewegen, die unangemessen Materie genannt wird. Das erste Prinzip der Thermodynamik identifiziert Wärme als eine Form von Energie, die in mechanische Arbeit umgewandelt und gespeichert werden kann, aber das ist keine materielle Substanz. Es wurde experimentell gezeigt, dass Wärme, ursprünglich gemessen in Kalorien und Arbeit oder Energie, gemessen in Joule, tatsächlich äquivalent ist. Jede Kalorie entspricht ungefähr 4.186 Joule.

Das erste Prinzip ist daher ein Prinzip der Energieerhaltung. In jeder thermischen Maschine oder einer thermischen Maschine wird eine bestimmte Menge an Energie in Arbeit umgewandelt: Es kann keine Maschine geben, die Arbeit produziert, ohne Energie zu verbrauchen. Eine ähnliche Maschine würde, wenn sie existierte, das sogenannte Perpetuum mobile der ersten Spezies erzeugen.

Das erste Prinzip wird traditionell festgelegt als:

Die Variation der inneren Energie eines geschlossenen thermodynamischen Systems ist gleich der Differenz zwischen der Wärme, die dem System zugeführt wird und der Arbeit, die das System in der Umgebung leistet.

Die entsprechende mathematische Formulierung wird ausgedrückt als:

& Delta; U = Q - L

wobei U die innere Energie des Systems ist, Q die Wärme, die dem System zugeführt wird und L die Arbeit des Systems.

Innere Energie bedeutet die Summe der kinetischen Energien und die Wechselwirkung der verschiedenen Teilchen eines Systems. Q ist die Wärme, die zwischen der Umgebung und dem System ausgetauscht wird (positiv, wenn es dem System zugeführt wird, negativ, wenn es vom System übertragen wird) und L die geleistete Arbeit (positiv, wenn das System dies in der Umgebung tut, negativ, wenn die Umgebung dies tut) das System). Die Konvention des Zeichens wird durch die Verbindung mit dem Studium der Wärmekraftmaschinen beeinflusst, in denen Wärme (teilweise) in Arbeit umgewandelt wird.

Die alternativen und äquivalenten Formulierungen des ersten Prinzips sind:

  • Für ein offenes System gilt qw = E, wobei E für die Variation der Gesamtenergie gedacht ist, die nicht mehr als die Summe der Änderungen der inneren Energie, der kinetischen Energie und der potentiellen Energie dieses Systems ist. Wir sehen, dass für ein geschlossenes System die Variationen von kinetischer und potentieller Energie Null sind und wir daher auf die vorherige Beziehung verweisen.
  • Für einen thermodynamischen Zyklus ist q = w, da die gesamte Energievariation Null ist, das System, das am Ende jedes Zyklus wieder die gleichen Startbedingungen hat.

zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Es gibt mehrere Aussagen des zweiten Prinzips, alle gleichwertig, und jede der Formulierungen betont einen bestimmten Aspekt. Es stellt fest, dass "es unmöglich ist, eine zyklische Maschine zu bauen, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem kalten auf einen warmen Körper ist" (Clausius-Aussage) oder, dass "es unmöglich ist, eine Transformation durchzuführen, deren Ergebnis nur ist die Umwandlung von Wärme aus einer einzigen Quelle in mechanische Arbeit "(Kelvins Aussage).

Diese letzte Einschränkung leugnet die Möglichkeit, die sogenannte fortwährende Bewegung der zweiten Art auszuführen. L 'Entropie die Gesamtheit eines isolierten Systems bleibt unverändert, wenn eine reversible Transformation stattfindet und erhöht sich, wenn eine irreversible Transformation stattfindet.

Dritter Hauptsatz der Thermodynamik

Es ist eng mit letzterem verbunden, und in einigen Fällen wird es als eine Folge von letzterem betrachtet. Man kann sagen, dass "es unmöglich ist, mit einer endlichen Anzahl von Transformationen den absoluten Nullpunkt zu erreichen" und eine genaue Definition der Magnitude namens Entropie liefert.

Sie besagt auch, dass die Entropie für einen perfekt kristallinen Festkörper bei einer Temperatur von 0 Kelvin gleich 0 ist. Es ist leicht, diesen Anspruch durch molekulare Thermodynamik zu erklären: Ein perfekt kristalliner Körper besteht aus einem einzigen Komplex (alle sind Wege) um die Moleküle zu organisieren, wenn die Moleküle alle gleich sind, unabhängig von der Art, wie sie angeordnet sind, makroskopisch ist der Kristall immer gleich und bei 0 Kelvin die Energie der Schwingung, der Translation und der Rotation der Teilchen es setzt sich also aus dem Boltzmannschen Gesetz S = k ln (1) = 0 zusammen, wobei 1 die Komplexe sind (in diesem Fall nur eine).

Geschichte der Thermodynamik

Es war Sadi Carnot, im Jahre 1824, der erste, der zeigte, dass Arbeit aus dem Austausch von Wärme zwischen zwei Quellen bei verschiedenen Temperaturen gewonnen werden kann. Durch den Satz von Carnot und die ideale Carnot-Maschine (basierend auf dem Carnot-Zyklus) quantifizierte er diese Arbeit und führte das Konzept der thermodynamischen Effizienz ein.

1848 führte Lord Kelvin mit der Carnot-Maschine das Konzept der effektiven thermodynamischen Temperatur ein und ist verantwortlich für eine Aussage des zweiten Prinzips der Thermodynamik.

1850 James Prescott Joule demonstrierte die Gleichheit der beiden Energieformen (damals glaubte man, dass die kalorische Flüssigkeit noch existierte).

Dadurch kam das Problem auf, dass, wenn es möglich wäre, die Gesamtwärme der Arbeit zu erhalten, es nicht möglich gewesen wäre, die Umkehrung zu erhalten. Dieses Ergebnis brachte auch Clausius, der 1855 seine Ungleichheit vorstellte, um reversible Prozesse der irreversiblen und Zustandsfunktion der Entropie zu erkennen.

1876 veröffentlichten Willard Gibbs die Abhandlung „über das Gleichgewicht von heterogenen Substanzen“ (über das Gleichgewicht von heterogenen Substanzen) zeigt, wie ein thermodynamischer Prozess aufgetragen werden kann und wie man diese Art und Weise zu studieren, die Energie, Entropie, Volumen, Temperatur und Druck könnte die eventuelle Spontaneität des Prozesses unter Berücksichtigung voraussehen.

Der Fall der Thermodynamik ist in der Geschichte und in der Erkenntnistheorie der Wissenschaft emblematisch: Es ist einer jener Fälle, in denen die Praxis in der Theorie selbst ein Pionier war: der erste ist für die Dampfmaschine unten entworfen , seine theoretische Funktionsweise wurde durch seine Grundprinzipien systematisiert.

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Geändert am: 26. April 2018

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