Thermodynamik.
Energieumwandlung

I Verbrennung thermische Energie.
Auswirkungen der Thermodynamik

Entropy

Thermodynamik

Thermodynamik

Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der die Auswirkungen von Änderungen der Temperatur, des Drucks und des Volumens eines physikalischen Systems (eines Materials, einer Flüssigkeit, einer Gruppe von Körpern usw.) auf makroskopischer Ebene untersucht. Die Wurzel "Thermo" bedeutet Wärme und Dynamik bezieht sich auf Bewegung, so dass die Thermodynamik die Bewegung von Wärme in einem Körper untersucht. Materie besteht aus verschiedenen Partikeln, die sich ungeordnet bewegen. Die Thermodynamik untersucht diese chaotische Bewegung.

Die praktische Bedeutung liegt vor allem in der Vielfalt der beschriebenen physikalischen Phänomene. Infolgedessen hat die Kenntnis dieser Vielfalt zu einer enormen technologischen Produktivität geführt.

Studium der Thermodynamik

Die Hauptelemente, die wir zum Studium der Thermodynamik benötigen, sind:

Die Gesetze der Thermodynamik. Diese Gesetze definieren die Art und Weise, wie Energie in Form von Wärme oder Arbeit zwischen physikalischen Systemen ausgetauscht werden kann.

Entropie Die Entropie ist eine Größe, die für jedes System definiert werden kann. Insbesondere definiert die Entropie die Unordnung, in der sich die inneren Teilchen, aus denen die Materie besteht, bewegen.

Enthalpie Die Enthalpie ist eine Zustandsfunktion des betrachteten physikalischen Systems. Tatsächlich hat der erste Hauptsatz der Thermodynamik in Abhängigkeit von der Enthalpie die Form dQ = dH - Vdp, dh die Wärmemenge, die einem System zugeführt wird, wird zur Erhöhung der Enthalpie und zur Ausführung externer Arbeiten verwendet - Vdp.

In der Thermodynamik werden die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen thermodynamischen Systemen untersucht und klassifiziert, was zur Definition von Konzepten wie thermodynamischen Systemen und ihrer Umgebung führt. Ein thermodynamisches System zeichnet sich durch seine thermodynamischen Eigenschaften aus, die durch die Zustandsgleichungen zueinander in Beziehung gesetzt werden. Diese können kombiniert werden, um innere Energie und thermodynamische Potentiale auszudrücken, die zur Bestimmung der Gleichgewichtsbedingungen zwischen Systemen und spontanen Prozessen nützlich sind.

Mit diesen Tools beschreibt die Thermodynamik, wie Systeme auf Änderungen in ihrer Umgebung reagieren.

Gesetze der Thermodynamik

Die Prinzipien der Thermodynamik wurden im 19. Jahrhundert formuliert und regeln die thermodynamischen Transformationen, ihren Fortschritt und ihre Grenzen. Tatsächlich sind sie echte Axiome, die auf der Erfahrung beruhen, auf der die gesamte Theorie der Thermodynamik beruht.

Insbesondere können drei Grundprinzipien unterschieden werden, plus ein "Null" -Prinzip, das die Temperatur definiert und in den anderen drei implizit enthalten ist.

Nullprinzip

Das Nullgesetz der Thermodynamik besagt, dass zwei wechselwirkende Systeme im thermischen Gleichgewicht einige Eigenschaften gemeinsam haben, die gemessen werden können, indem ihnen ein präziser numerischer Wert zugewiesen wird. Wenn sich zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten befinden, befinden sie sich folglich im Gleichgewicht miteinander und die gemeinsame Eigenschaft ist die Temperatur.

Erster Grundsatz

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass, wenn ein Körper mit einem anderen relativ kälteren Körper in Kontakt kommt, eine Transformation stattfindet, die zu einem Gleichgewichtszustand führt, in dem die Temperaturen der beiden Körper gleich sind.

Das erste Prinzip ist daher ein Prinzip der Energieeinsparung. In jeder thermischen Maschine wird eine bestimmte Energiemenge in Arbeit umgewandelt: Es kann keine Maschine geben, die Arbeit produziert, ohne Energie zu verbrauchen.

Kurz gesagt, das erste thermodynamische Prinzip wird traditionell bestätigt als: Die Variation der inneren Energie eines geschlossenen thermodynamischen Systems ist gleich der Differenz zwischen der dem System zugeführten Wärme und der von dem System in der Umgebung geleisteten Arbeit.

Zweiter Grundsatz

Es gibt mehrere Aussagen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, die alle gleichwertig sind, und jede der Formulierungen hebt einen bestimmten Aspekt hervor. Zunächst stellt er fest, dass "es unmöglich ist, eine zyklische Maschine zu bauen, bei der nur Wärme von einem kalten auf einen warmen Körper übertragen wird" (Aussage von Clausius).

Auf der anderen Seite kann in gleicher Weise auch festgestellt werden, dass „es unmöglich ist, eine Umwandlung durchzuführen, deren Ergebnis nur die Umwandlung von Wärme aus einer einzigen Quelle in mechanische Arbeit ist“ (Kelvins Aussage).

Dritter Grundsatz

Das dritte Prinzip der Gesetze der Thermodynamik ist eng mit dem letzteren verwandt und wird in einigen Fällen als Folge des letzteren angesehen. In diesem Sinne kann gesagt werden, dass "es unmöglich ist, mit einer endlichen Anzahl von Transformationen den absoluten Nullpunkt zu erreichen" und eine genaue Definition der Größe liefert, die als Entropie bezeichnet wird.

Darüber hinaus besagt der dritte Hauptsatz der Thermodynamik, dass die Entropie für einen perfekt kristallinen Feststoff bei einer Temperatur von 0 Kelvin gleich 0 ist.

Wärmeleistung

Der Wärmewirkungsgrad oder Wirkungsgrad einer thermischen Maschine ist ein Koeffizient oder dimensionsloses Verhältnis, das als Verhältnis der erzeugten Energie (in einem Betriebszyklus) und der der Maschine zugeführten Energie berechnet wird (so dass es ihr gelingt, den thermodynamischen Zyklus zu vervollständigen). Es ist mit dem griechischen Buchstaben η bezeichnet

Je nach Typ der thermischen Maschine erfolgt die Übertragung dieser Energien in Form von Wärme Q oder Arbeit W.

Der französische Physiker Sadi Carnot ermittelte 1824 den thermischen Wirkungsgrad für eine ideale thermische Maschine in Abhängigkeit von der Temperatur ihrer heißen und kalten Speicher:

thermodynamischer Wirkungsgrad

wo:

Th ist die Temperatur des heißen Reservoirs; 
Tc ist die Temperatur des Kältespeichers.

Zusammenfassend lässt die Gleichung zum thermischen Wirkungsgrad darauf schließen, dass höhere Wirkungsgrade mit einem höheren Temperaturgradienten zwischen heißen und kalten Flüssigkeiten erzielt werden. In der Praxis ist der Wirkungsgrad des Motors umso höher, je heißer die Flüssigkeit ist.

Anwendungen der Thermodynamik

Die Thermodynamik kann auf eine Vielzahl von wissenschaftlichen und technischen Themen angewendet werden, wie Motoren, Phasenübergänge, chemische Reaktionen, Transportphänomene und sogar Schwarze Löcher.

Die Erforschung der Thermodynamik ist für die Solarthermie von großer Bedeutung, da solche Solaranlagen auf dem Wärmeaustausch beruhen.

Kurz gesagt: Thermodynamische Ergebnisse sind unerlässlich für andere Bereiche der Physik und Chemie, der Chemie, der Luft- und Raumfahrttechnik, des Maschinenbaus, der Zellbiologie, der Biomedizintechnik und der Materialwissenschaften, um nur einige zu nennen.

Historische Entwicklung der Thermodynamik

Anfänglich wurden technologische Entwicklungen wie sogenannte Dampfmaschinen oder Thermometer empirisch durchgeführt. Aber erst im 19. Jahrhundert haben Wissenschaftler wie Carnot und Joule ihre Ergebnisse formalisiert und die theoretischen Ursachen für ihre Operation ermittelt.

Tatsächlich wurde mit der Untersuchung der Thermodynamik begonnen, um den Wirkungsgrad der ersten Dampfmaschinen zu erhöhen.

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Referenzen

Geändert am: 20. September 2019