Die Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der die Auswirkungen von Temperatur-, Druck- und Volumenänderungen eines physikalischen Systems auf makroskopischer Ebene beschreibt. Dieser Zweig der Physik konzentriert sich auf die Untersuchung von Energieumwandlungen, insbesondere im Zusammenhang mit Wärme und Arbeit
Materie besteht aus verschiedenen Teilchen, die sich ungeordnet bewegen. Gemäß der Definition der Thermodynamik untersucht diese Wissenschaft nicht das Verhalten jedes einzelnen Teilchens, sondern vielmehr das globale Verhalten aller dieser Teilchen.
Diese Wissenschaft ermöglicht es uns, viele natürliche und technologische Phänomene zu verstehen, von der Effizienz einer Maschine bis hin zur Funktionsweise des Klimas und des Stoffwechsels in Lebewesen.
Was untersucht die Thermodynamik?
Die physikalische Thermodynamik untersucht, wie Energie zwischen verschiedenen Systemen umgewandelt und in Form von Wärme und Arbeit übertragen wird. Der Schwerpunkt liegt auf dem Verständnis, wie sich diese Übertragungen auf die Materie auswirken, insbesondere in Bezug auf Temperatur, Druck und Volumen. Die Grundprinzipien der Thermodynamik sind in vier Grundgesetze unterteilt.
In diesem Zweig der Physik wird untersucht, wie sich Energie verhält und wie sie von einer Form in eine andere umgewandelt wird, insbesondere in Bezug auf Wärme und Arbeit. Dazu analysiert es die Eigenschaften physikalischer Systeme und wie Temperatur-, Druck- und Volumenschwankungen diese Systeme beeinflussen. Neben den Grundgesetzen wird die Thermodynamik auf verschiedene Prozesse und Technologien angewendet, beispielsweise auf die Entwicklung von Wärmekraftmaschinen, Kühlschränken und Heizsystemen.
Gesetze der Thermodynamik
Die Prinzipien der Thermodynamik regeln wärmebedingte Umwandlungen, ihren Ablauf und ihre Grenzen. Tatsächlich handelt es sich um echte Erfahrungsaxiome, auf denen die gesamte Theorie basiert.
Konkret lassen sich drei Grundprinzipien unterscheiden, plus ein „Null“-Prinzip.
Nullgesetz
Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass zwei interagierende Systeme, wenn sie sich im thermischen Gleichgewicht befinden, einige Eigenschaften gemeinsam haben, die gemessen werden können, indem man ihnen einen genauen numerischen Wert gibt. Wenn also zwei Systeme mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht stehen, befinden sie sich auch untereinander im Gleichgewicht und die gemeinsame Eigenschaft ist die Temperatur.
Das erste Gesetz
Das erste Gesetz besagt, dass bei Kontakt zweier Körper mit unterschiedlichen Temperaturen eine Wärmeübertragung bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustandes stattfindet. In diesem neuen Zustand sind die Temperaturen der beiden Körper gleich.
Der erste Grundsatz ist der Energieerhaltungssatz, der besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann; es verwandelt sich nur.
Das zweite Gesetz
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme immer von einem heißen Objekt zu einem kalten Objekt fließt und dass es nicht möglich ist, eine 100 % effiziente Wärmekraftmaschine zu schaffen. Dies ist als Prinzip der Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile zweiter Art bekannt.
Darüber hinaus führt der zweite Hauptsatz das Konzept der Entropie ein, das den Grad der Unordnung in einem System misst. In einem isolierten System nimmt die Entropie immer zu.
Das dritte Gesetz
Das dritte Gesetz besagt, dass es unmöglich ist, mit einer endlichen Anzahl von Transformationen den absoluten Nullpunkt zu erreichen, und liefert eine genaue Definition der Größe, die Entropie genannt wird.
Darüber hinaus besagt das dritte Gesetz auch, dass die Entropie für einen perfekt kristallinen Feststoff bei einer Temperatur von 0 Kelvin gleich 0 ist.
Thermodynamische Systeme
Ein thermodynamisches System ist ein bestimmter Teil des Universums, den wir aus thermodynamischer Sicht untersuchen und analysieren möchten. Dieses System ist von seiner Umgebung durch Grenzen getrennt, die real (z. B. die Wände eines Behälters) oder imaginär (z. B. eine nur für den Zweck der Studie definierte Grenze) sein können.
Die Umgebung ist alles, was sich außerhalb des Systems befindet und mit ihm interagieren kann.
Die Systemgrenzen sind entscheidend, denn sie bestimmen, wie das System Energie und Materie mit seiner Umgebung austauschen kann. Abhängig von der Art des Systems, das wir analysieren, können diese Grenzen beispielsweise den Durchgang von Wärme, Arbeit oder sogar Materie ermöglichen.
Thermodynamische Kreisläufe
Ein thermodynamischer Zyklus ist eine Reihe von Prozessen, durch die ein thermodynamisches System von einem Anfangszustand über mehrere Zustandsänderungen geht und schließlich in den Anfangszustand zurückkehrt. Diese Zyklen werden in Geräten wie Motoren und Kühlschränken ausgeführt, um Wärmeenergie in nutzbare Arbeit umzuwandeln oder umgekehrt.
Der in diesen Zyklen bewertete Hauptparameter ist die thermische Leistung. Der thermische Wirkungsgrad (η) errechnet sich aus der erhaltenen Arbeit dividiert durch die zugeführte Wärme
Thermodynamische Eigenschaften
Thermodynamische Eigenschaften sind die Eigenschaften, die den Zustand und das Verhalten eines thermodynamischen Systems zu jedem Zeitpunkt eines Zyklus beschreiben. Mithilfe dieser Eigenschaften können wir untersuchen, wie ein System mit seiner Umgebung interagiert und wie es sich verändert, wenn ihm Energie in Form von Wärme oder Arbeit zugeführt wird. Diese Eigenschaften sind in zwei Hauptkategorien unterteilt: intensiv und umfangreich:
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Intensive Eigenschaften : Diese hängen nicht von der Menge der Materie im System ab. Beispiele für intensive Eigenschaften sind: Temperatur, die misst, wie heiß oder kalt ein System ist, Druck, der die vom System pro Flächeneinheit ausgeübte Kraft darstellt, und Dichte, die Masse pro Volumeneinheit angibt.
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Umfangreiche Eigenschaften : Diese hängen von der Menge der Materie im System ab. Beispiele für umfangreiche Eigenschaften sind Masse (Menge der Materie im System), Volumen (Raum, den das System einnimmt) oder innere Energie (die Summe aller Energien der Moleküle im System).
Einige Eigenschaften wie Entropie und Enthalpie können abstrakter sein:
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Entropie : Misst die Unordnung oder Zufälligkeit der Teilchen in einem System. Je größer die Entropie, desto größer die Unordnung.
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Enthalpie : Sie ist die Summe der inneren Energie und das Produkt aus Druck und Volumen des Systems. Es stellt den gesamten nutzbaren Energieinhalt in einem System dar, um bei konstantem Druck Arbeit zu verrichten.
Verwendung und Anwendungen
Nachfolgend listen wir einige Beispiele einiger seiner Anwendungen auf:
- Beim Kochen von Speisen.
- In der Automobilindustrie sind die meisten Motoren Wärmekraftmaschinen .
- In der Materialwissenschaft geht es darum, neuartige Materialien mit genau definierten chemischen und physikalischen Eigenschaften zu erhalten.
- Industrielle Anwendungen zur Umwandlung von Rohstoffen in fertige Produkte mithilfe von Maschinen und Energie.
- Bei der architektonischen Gestaltung werden Wärmeübertragungen zwischen Außen- und Innenbereich des Hauses berücksichtigt, insbesondere bei bioklimatischer Architektur und passiver Solarenergie.
- Stromerzeugung in Wärmekraftwerken, bei denen thermodynamische Prozesse die Umwandlung von Wärme in Strom ermöglichen.