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Thermodynamik.
Energieumwandlung

I Verbrennung thermische Energie.
Auswirkungen der Thermodynamik

Entropy

Geschichte der Thermodynamik

Geschichte der Thermodynamik

Die Thermodynamik ist der Zweig der klassischen Physik, der die thermodynamischen Umwandlungen untersucht und beschreibt, die durch Wärme und Arbeit in einem thermodynamischen System als Ergebnis von Prozessen hervorgerufen werden, die Änderungen von Temperatur- und Energiezustandsvariablen beinhalten.

Die Geschichte der Thermodynamik ist ein grundlegendes Stadium in der Geschichte der Physik, der Chemie und der Wissenschaftsgeschichte im Allgemeinen. Aufgrund der Bedeutung der Thermodynamik in vielen Teilen der Wissenschaft und Technik war die Geschichte der Thermodynamik mit der Entwicklung der klassischen Mechanik, der Quantenmechanik, des Magnetismus und der Wissenschaft der chemischen Geschwindigkeit subtil in weiter entfernten praktischen Bereichen wie Meteorologie, Informationstheorie und Biologie (Physiologie) sowie der Dampfmaschine, Verbrennungsmaschinerie. Es ist auch mit technologischen Fortschritten wie Kryogen- und Stromerzeugung verbunden.

Die Entwicklung der Thermodynamik wurde fortgesetzt und mit der Atomtheorie fortgesetzt. Darüber hinaus mobilisierte er mit einem ausgeklügelten Ansatz neue Richtungen in Bezug auf Wahrscheinlichkeit und Statistik. Siehe zum Beispiel die Zeitleiste der Thermodynamik.

Thermodynamik seit der Antike

Die Alten sahen Hitze als etwas, was mit Feuer zu tun hatte. Die alten Ägypter waren der Ansicht, dass Hitze mit mythologischen Ursprüngen zusammenhängt. In der westlichen philosophischen Tradition schlug Empedokles eine Vier-Elemente-Theorie vor, in der alle Substanzen von Erde, Wasser, Luft und Feuer stammen. Rund 500 a. C., der griechische Philosoph Heraklit, argumentierte, dass die drei Hauptelemente der Natur Feuer, Erde und Wasser seien.

In der modernen Zeit galt Wärme als Maß für eine unsichtbare Flüssigkeit, die als Kalorien bezeichnet wird. Die Körper konnten eine gewisse Menge dieser Flüssigkeit aufnehmen, was zur Bezeichnung Wärmekapazität führte.

Im achtzehnten und neunzehnten Jahrhundert gaben Wissenschaftler die Idee einer physikalischen Kalorienzufuhr auf und verstanden Wärme stattdessen als Manifestation der inneren Energie eines Systems. Heute ist Wärme die Übertragung ungeordneter Wärmeenergie.

Der Atomismus ist ein zentraler Bestandteil der gegenwärtigen Beziehung zwischen Thermodynamik und statistischer Mechanik. Antike Denker wie Leukipp und Demokrit und später die Epikureer legten mit fortschreitendem Atomismus den Grundstein für die spätere Atomtheorie. Bis später im 20. Jahrhundert experimentelle Tests von Atomen durchgeführt wurden, beruhte die Atomtheorie größtenteils auf philosophischen Überlegungen und wissenschaftlicher Intuition.

Der griechische Philosoph Parmenides aus dem 5. Jahrhundert v. Chr. Postuliert verbal, dass ein Vakuum, im Wesentlichen das, was heute als Vakuum bezeichnet wird, in der Natur nicht auftreten könne. Diese Meinung wurde von Aristoteles begründet, aber von Leucipo und Hero of Alexandria kritisiert. Von der Antike bis zum Mittelalter wurden verschiedene Argumente vorgebracht, um die Existenz eines Vakuums zu beweisen oder zu missbilligen, und mehrere Versuche, ein Vakuum aufzubauen, blieben erfolglos.

Die europäischen Wissenschaftler Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei und Santorio Santorio konnten im 16. und 17. Jahrhundert die relative "Kälte" oder "Wärme" der Luft mit einem rudimentären Luftthermometer messen.

Im Jahr 1643 glaubte Galileo Galilei, dass die Abscheulichkeit der Leere der Natur begrenzt ist. In Minen betriebene Pumpen hatten bereits gezeigt, dass die Natur ein Vakuum nur bis zu einer Höhe von 30 Fuß mit Wasser füllen würde. In Kenntnis dieser merkwürdigen Tatsache ermutigte Galileo seinen ehemaligen Evangelisten-Studenten Torricelli, diese angeblichen Einschränkungen zu untersuchen.

Atomtheorie

Die Atomtheorie ist eine physikalische Theorie, die davon ausgeht, dass alles auf der Welt aus den kleinsten Teilchen besteht: Atomen, die durch nukleare und elektrische Kräfte miteinander verbunden sind. Im 20. Jahrhundert wurde in der Praxis gezeigt, dass ein Atom in noch kleinere subatomare Teilchen unterteilt werden kann.

Thermodynamik als Wissenschaft

Der irische Physiker und Chemiker Robert Boyle baute 1656 in Abstimmung mit dem englischen Wissenschaftler Robert Hooke eine Luftpumpe. Bei Verwendung dieser Pumpe bemerkten Boyle und Hooke die Druck-Volumen-Korrelation: PV = konstant. Zu dieser Zeit sollte Luft ein System von bewegungslosen Teilchen sein, und es wurde nicht als ein System von sich bewegenden Molekülen interpretiert.

Das Konzept der thermischen Bewegung entstand zwei Jahrhunderte später. Später, nach der Erfindung des Thermometers, konnte die Eigenschaftstemperatur quantifiziert werden. Dieses Tool gab Gay-Lussac die Möglichkeit, sein Gesetz abzuleiten, das kurz darauf zum idealen Gasgesetz führte. Bevor jedoch das ideale Gasgesetz festgelegt wurde, baute ein Boyle-Mitarbeiter namens Denis Papin 1679 einen Knochendiger, einen geschlossenen Behälter mit dicht schließendem Deckel, der den Dampf so lange einschließt, bis ein hoher Druck erzeugt wird.

Dampfmaschine

Spätere Konstruktionen haben ein Dampfablassventil implementiert, um zu verhindern, dass die Maschine explodiert. Papin beobachtete, wie sich das Ventil rhythmisch auf und ab bewegte, und stellte sich die Idee eines Kolben- und Zylindermotors, eines alternativen Motors, vor.

1697 baute der Ingenieur Thomas Savery jedoch nach Papins Entwürfen die erste Dampfmaschine. Obwohl diese ersten Motoren roh und ineffizient waren, erregten sie die Aufmerksamkeit der führenden Wissenschaftler dieser Zeit. Einer dieser Wissenschaftler war Sadi Carnot, der Vater der Thermodynamik, der 1824 Reflections on the drive power of fire veröffentlichte, eine Rede über Wärme, Kraft und Motoreffizienz. Dies markiert den Beginn der Thermodynamik als moderne Wissenschaft.

In den folgenden Jahren wurden weitere Varianten von Dampfmaschinen gebaut, wie die Newcomen Engine und später die Watt Engine. Im Laufe der Zeit würden diese ersten Motoren schließlich anstelle von Pferden eingesetzt. Daher begann jeder Motor mit einer bestimmten "Pferdestärke" in Abhängigkeit von der Anzahl der ersetzten Pferde in Verbindung zu stehen. Das Hauptproblem bei diesen ersten Motoren war, dass sie langsam und ungeschickt waren und weniger als 2% des fossilen Brennstoffs, normalerweise Kohle, in nützliche Arbeit umwandelten. Daher die Notwendigkeit einer neuen Wissenschaft der Motordynamik.

Bisherige Evolutionsgeschichte der Thermodynamik

Die Geschichte der Thermodynamik beginnt 1824. Es war Sadi Carnot, der 1824 als erster nachwies, dass Wärmeaustausch zwischen zwei Quellen bei unterschiedlichen Temperaturen möglich ist. Durch Carnots Theorem und Carnots ideale Maschine (basierend auf dem Carnot-Zyklus) quantifizierte er diese Arbeit und führte das Konzept der thermodynamischen Effizienz ein.

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

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

Nachdem dies erreicht war, trat das Problem auf, dass es nicht möglich gewesen wäre, die Inverse zu erhalten, wenn es möglich gewesen wäre, die Gesamtarbeitswärme zu erhalten. Dieses Ergebnis landete auch Clausius, der 1855 seine Ungleichung vorstellte, um reversible Prozesse des Irreversiblen und des Zustands der Entropiefunktion zu erkennen.

1876 ​​veröffentlichte Willard Gibbs die Abhandlung "Über das Gleichgewicht heterogener Substanzen" (Über das Gleichgewicht heterogener Substanzen), in der gezeigt wurde, wie ein thermodynamischer Prozess grafisch dargestellt werden kann und wie Energie, Entropie, Volumen, Temperatur und Energie untersucht werden können Der Druck könnte die eventuelle Spontanität des betrachteten Prozesses vorhersehen.

Der Fall der Thermodynamik ist in der Geschichte und in der Erkenntnistheorie von Bedeutung: Es ist einer jener Fälle, in denen die Praxis die Theorie selbst als Pionierarbeit geleistet hat: Der erste ist dann für die Dampfmaschine bestimmt Seine theoretische Funktionsweise wurde durch seine Grundprinzipien systematisiert.

Verhältnis der Thermodynamik zur Sonnenenergie

Die Geschichte der Thermodynamik spielt im Bereich der Solarenergie und insbesondere der thermischen Solarenergie eine grundlegende Rolle. Die Nutzung der Sonnenstrahlung zur Gewinnung von Wärme begann in der Antike. Primitive Kulturen benutzten es, ohne sich dessen bewusst zu sein.

Später haben verschiedene Zivilisationen ihre Architektur entwickelt, um die Sonnenwärme effizient zu nutzen, wie in der Geschichte der Sonnenenergie beschrieben. Dies nennt man heute passive Solarenergie.

Um 1767 hatte Horace Bénédict De Saussure den Sonnenkollektor erfunden. Dieser neue Solarkollektor hatte entscheidenden Einfluss auf die Geschichte der Solarenergie und die Entwicklung der Niedertemperatur-Solarthermie. Der Sonnenkollektor nutzt die thermodynamische Physik, um Wärmeübertragungen und thermodynamische Umwandlungen durchzuführen.

Auf diese Weise begannen die Gesetze der Thermodynamik eine grundlegende Rolle bei der Entwicklung erneuerbarer Energien, insbesondere der Solarenergie, zu spielen.

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Geändert am: 10. Oktober 2019