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Thermodynamik.
Energieumwandlung

I Verbrennung thermische Energie.
Auswirkungen der Thermodynamik

Entropy

Hitze

Hitze

In der Physik, insbesondere in der Thermodynamik, wird Wärme definiert als:

Der Beitrag von Energie, die infolge einer chemischen oder nuklearen Reaktion umgewandelt und zwischen zwei Systemen oder zwischen zwei Teilen desselben Systems übertragen wird.

Diese Energie ist nicht auf einen Job oder eine Umwandlung zwischen zwei verschiedenen Energiearten zurückzuführen.

Wärme ist daher eine Form der übertragenen Energie und keine Form der enthaltenen Energie als innere Energie.

Wärme und Arbeit sind Energieformen, die nicht mit dem Zustand des Systems, dh seiner Gleichgewichtskonfiguration, in Verbindung gebracht werden können. Insbesondere werden beide Energieformen in dem Moment erkannt, in dem sie fließen.

Die Arbeit identifiziert den Moment, in dem die Kraft eine Änderung vornimmt. Mit anderen Worten, Workflows werden in dem Moment ausgeführt, in dem sie stattfinden. Ebenso wird Wärme nur zum Zeitpunkt der Übertragung identifiziert.

Einheiten, um Wärme auszudrücken

Die Wärme wird im Internationalen System in Joule gemessen.

In der Praxis wird es jedoch häufig noch als Maßeinheit für Kalorien verwendet.

Eine Kalorie ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von einem Gramm destilliertem Wasser um ein Grad Celsius zu erhöhen. Diese Definition gilt unter Druckbedingungen von 1 atm.

Manchmal werden auch rein technische Einheiten verwendet: wie kWh oder BTU.

Was ist spezifische Wärme?

Die spezifische Wärme (oder Wärme einer spezifischen Masse) eines Stoffes ist definiert als: die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur einer Masseneinheit um einen Kelvin zu erhöhen oder zu verringern.

Denken Sie daran, dass der Unterschied zwischen einem Grad Celsius und einem Kelvin der gleiche ist.

Eine ähnliche Menge ist spezifische molare Wärme, auch molare Wärme genannt, definiert als: die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Mols Substanz um ein Grad zu erhöhen oder zu verringern.

Im internationalen System ist die Maßeinheit für die spezifische Wärme J / (K · kg), selbst wenn kcal / (kg × ° C) häufig verwendet wird, während die der molaren Wärme J / (K · mol) beträgt.

Was sind die Auswirkungen von Wärme?

Die Auswirkungen der Wärmeübertragung werden durch den ersten Hauptsatz der Thermodynamik in seiner allgemeinsten Form beschrieben:

ΔE = Q - W.

wobei
ΔE -> eine Änderung in irgendeiner Form von Energie anzeigt (wie innere Energie, kinetische Energie oder potentielle Energie).
Q -> steht für Wärme.
W -> zeigt den Job an (durch Volumenänderung oder isochor).

Die Folgen der Wärmeübertragung können hauptsächlich zweierlei Art sein:

  1. Energievariation
  2. Jobaustausch.

Eine besondere Energieform, die nach dem Durchgang von Wärme modifiziert werden kann, ist die innere Energie. Eine Variation der inneren Energie kann verschiedene Konsequenzen haben, einschließlich einer Änderung der Temperatur oder einer Änderung des Aggregatzustands.

Was sind latente Wärme und fühlbare Wärme?

Wenn die Wärmeübertragung zu einer Änderung des Aggregatzustands führt, wird diese Wärme als latente Wärme bezeichnet. Wenn die Wärmeübertragung zu einer Verringerung der Temperaturdifferenz führt (weil die beiden Systeme oder zwei Teile desselben Systems dazu neigen, ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen), sprechen wir von sensibler Wärme.

Die klassische Formel für fühlbare Wärme lautet:

Q = c · m · ΔT

während die der latenten Wärme ist:

Q = λ · m

Für den Fall, dass die Wärmeübertragung sowohl eine Abnahme der Temperaturdifferenz als auch eine Phasenänderung beinhaltet, kann diese Wärme als die Summe von zwei Beiträgen betrachtet werden:

  1. ein Beitrag zur fühlbaren Wärme
  2. ein Beitrag zur latenten Wärme.

Beispiel

Beispielsweise wird der Anstieg der Wassertemperatur von 20 ° C auf 50 ° C unter Standardbedingungen (d. H. Bei einem Druck von 1 atm) durch die Tatsache bestimmt, dass fühlbare Wärme bereitgestellt wird. Wenn das Wasser bereits die Siedetemperatur erreicht hat, speichert es Energie (in Form von latenter Wärme) und hält seine Temperatur unverändert, bis der Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Dampf auftritt.

Aus diesem Grund kann ein Wasserdampfstrahl bei 100 ° C, in dem während des Durchgangs des Zustands Energie gespeichert ist, bei gleicher Temperatur schwerere Verbrennungen verursachen als Wasser im flüssigen Zustand.

Reaktionswärme wird auch bezeichnet, wenn Wärme durch eine chemische Reaktion verbraucht oder erzeugt wird.

Welche Beziehung haben Wärme, Temperatur und innere Energie?

Wärme ist keine Eigenschaft, die mit einer thermodynamischen Gleichgewichtskonfiguration verbunden ist. Bei Vorhandensein eines Temperaturgradienten fließt Wärme von Punkten bei höheren Temperaturen zu Punkten bei niedrigeren Temperaturen, bis das thermische Gleichgewicht erreicht ist.

Die Menge der ausgetauschten Wärme hängt von dem bestimmten Weg ab, dem die Umwandlung folgt, um vom Anfangszustand in den Endzustand zu gelangen.

Mit anderen Worten, Wärme ist keine Zustandsfunktion.

Innere Energie

Die innere Energie ist stattdessen eine Funktion des Zustands, der mit einer Gleichgewichtskonfiguration (oder einem thermodynamischen Zustand) des Systems in Abhängigkeit von den Zustandsvariablen assoziiert werden kann.

Für Innentemperatur und Energie haben sie logische Ausdrücke (dh sie sind wissenschaftlich korrekt) vom Typ: "Der Körper hat eine bestimmte Temperatur, er hat eine bestimmte innere Energie, er gewinnt Energie, er gibt Energie".

Energie auf dem Transportweg

Andererseits ist Wärme keine thermodynamische Eigenschaft. Sätze wie "Der Körper hat Wärme, gibt Wärme ab, gewinnt Wärme" haben keinen wissenschaftlichen Wert. Tatsächlich kann Wärme als "Energie während des Transports" definiert werden, nicht als "Energie, die ein Körper besitzt".

Wärme wird zwischen zwei Körpern (oder zwei Teilen desselben Körpers) ausgetauscht und nicht von einem einzigen Körper besessen (wie dies bei innerer Energie der Fall ist). Insbesondere fließt Wärme aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen dem untersuchten System. Die Umgebung, die damit interagiert. Wärme entsteht also nur dann, wenn sie aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen dem System und der Umgebung übertragen wird.

Es wird in keiner Weise innerhalb des Systems und der Umgebung als eine intrinsische Eigenschaft davon erkannt.

Wie verbreitet sich Wärme?

Die Übertragung (oder der Austausch oder die Ausbreitung) von Wärme zwischen Systemen kann auf drei Arten erfolgen:

  • Fahren.
  • Konvektion
  • Bestrahlung.

Wärmeverteilung durch Wärmeleitung

In einem einzelnen Körper oder zwischen Körpern, die in Kontakt stehen, wird durch Stöße kinetische Energie zwischen den Molekülen übertragen, die zu den benachbarten Bereichen des Materials gehören.

In der Leitungsenergie wird es durch Materie übertragen, jedoch ohne makroskopische Bewegung der letzteren.

Ausbreitung der Konvektionswärme

In einer sich bewegenden Flüssigkeit können sich die Flüssigkeitsteile bei Kontakt mit den Außenflächen erwärmen oder abkühlen. Dann wird im Verlauf seiner Bewegung (im oft turbulenten Charakter) die Übertragung (immer zum Laufen) die Energie auf andere Oberflächen übertragen, was zu einer Advektionswärmeübertragung führt.

Wärmeverteilung durch Bestrahlung

Zwischen zwei Systemen kann die Wärmeübertragung in einiger Entfernung erfolgen (auch im Vakuum).

Die Übertragung erfolgt durch Emission, Ausbreitung und Absorption elektromagnetischer Wellen: Je niedriger die Körpertemperatur wird, desto höher wird die Temperatur.

Der Bestrahlungsmechanismus erfordert keinen physischen Kontakt zwischen den am Prozess beteiligten Körpern.

Ein Beispiel ist die Wärme, die sich durch Sonnenstrahlung von der Sonne zur Erde ausbreitet.

Temperaturerfassung

Das Gefühl von "Hitze" oder "Kälte", das sich beim Berühren eines Körpers anfühlt, wird neben anderen Faktoren durch seine Temperatur und die Wärmeleitfähigkeit des Materials bestimmt, aus dem er besteht.

Obwohl es möglich ist, die relativen Temperaturen zweier Körper mit Berührung zu vergleichen (mit einiger Vorsicht), ist es unmöglich, eine absolute Bewertung abzugeben.

Kalorimeter werden zur Berechnung des Wärmeübergangs verwendet.

Die Temperatur ist ein Index der durchschnittlichen kinetischen Energie der untersuchten Körperpartikel. Wärme ist die Energie, die ein Körper mit einer höheren Temperatur auf einen Körper mit einer niedrigeren Temperatur überträgt (bis beide Körper die gleiche Temperatur haben). Das Gefühl von Kälte und Wärme ist sowohl auf den Temperaturunterschied zwischen der Hand und dem Objekt als auch auf die Geschwindigkeit zurückzuführen, mit der das Objekt Wärme an die Hand (oder ein anderes Objekt bei unterschiedlichen Temperaturen) übertragen (absorbieren oder abgeben) kann.

Durch die Bereitstellung von Wärme für einen Körper steigt jedoch nicht nur die Temperatur, sondern es entsteht auch ein schärferes Wärmegefühl, sondern es gibt direkt messbare Schwankungen einiger physikalischer Eigenschaften.

Beispiele

Zum Beispiel. Wir tauchen eine Hand einige Sekunden in kaltes Wasser und die andere in heißes Wasser. Dann tauchen wir beide in warmes Wasser. Der erste hat das Gefühl, dass das Wasser heiß ist, der zweite, dass es kalt ist, weil die wahrgenommene Temperatur relativ zu der der Hand ist, die die Messung durchführt.

Eine relative Bewertung ist oft auch nicht möglich. Zum Beispiel durch Berühren eines Stücks Holz und eines Stücks Metall. Wir gehen davon aus, dass sich beide Materialien lange genug in derselben Umgebung befanden, um ein thermisches Gleichgewicht mit der Umgebung zu erreichen. Durch Berühren entsteht das Gefühl, dass das Metall aufgrund der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit der beiden Materialien viel kälter ist.

Gleichzeitig platzieren wir ein Thermometer. Zuerst in Kontakt mit Holz und dann mit Metall. Wir beobachten, dass die Temperatur in beiden Materialien gleich ist. Das gleiche wie Raumtemperatur.

Historischer Hintergrund der Hitze

In der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts verwendeten die Wissenschaftler die elementare Substanz Phlogiston, um die Erwärmung einiger Materialien und die Verbrennung zu erklären.

In den folgenden Jahren gingen thermische Phänomene auf die Theorie zurück, dass Wärme eine unsichtbare Flüssigkeit sei. Durch das Eindringen in die Materie eines Körpers könnte es seine Temperatur erhöhen.

Trotz Boyles Studien über die Beziehung zwischen Teilchenbewegung und Wärme aus dem 17. Jahrhundert wurde erst um die Mitte des 19. Jahrhunderts der Grundstein für die Thermodynamik gelegt. Diese Grundlagen wurden dank der Studien Mayer (1842) und Joule (1843) hinsichtlich der Wärmemenge und der dafür erforderlichen Arbeiten gelegt.

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Erscheinungsdatum: 24. August 2018
Geändert am: 21. April 2020