Thermodynamik im Überblick

Thermodynamik ist das Gebiet der Physik, das sich mit der Beziehung zwischen Wärme und anderen Eigenschaften (wie Druck, Dichte, Temperatur usw.) eines Stoffes befasst.

Insbesondere konzentriert sich die Thermodynamik hauptsächlich darauf, wie eine Wärmeübertragung mit verschiedenen Energieänderungen in einem physikalischen System zusammenhängt, das einem thermodynamischen Prozess unterzogen wird. Solche Prozesse führen in der Regel dazu, dass die Arbeit vom System geleistet wird und sich an den Gesetzen der Thermodynamik orientiert.

Grundlegende Konzepte der Wärmeübertragung

Allgemein ausgedrückt wird die Wärme eines Materials als Repräsentation der Energie verstanden, die in den Partikeln dieses Materials enthalten ist. Dies ist als kinetische Theorie der Gase bekannt, obwohl das Konzept in unterschiedlichem Maße auch für Feststoffe und Flüssigkeiten gilt. Die Wärme aus der Bewegung dieser Partikel kann auf verschiedene Weise in nahegelegene Partikel und damit in andere Teile des Materials oder in andere Materialien übertragen werden:

• Thermischer Kontakt Dies ist, wenn zwei Substanzen die Temperatur des anderen beeinflussen können.
• Thermisches Gleichgewicht ist, wenn zwei Substanzen im thermischen Kontakt keine Wärme mehr übertragen.
• Wärmeausdehnung findet statt, wenn sich ein Stoff mit zunehmender Wärme im Volumen ausdehnt. Es besteht auch eine Wärmekontraktion.
• Leitung ist, wenn Wärme durch einen erhitzten Feststoff fließt.
• Konvektion Wenn erhitzte Partikel Wärme auf eine andere Substanz übertragen, z. B. in kochendem Wasser kochen.
• Strahlung Dies ist der Fall, wenn Wärme durch elektromagnetische Wellen, beispielsweise von der Sonne, übertragen wird.
• Isolierung Dies ist der Fall, wenn ein Material mit geringer Leitfähigkeit verwendet wird, um eine Wärmeübertragung zu verhindern.

Thermodynamische Prozesse

Ein System durchläuft einen thermodynamischen Prozess, wenn es eine Art energetische Änderung im System gibt, die im Allgemeinen mit Änderungen des Drucks, des Volumens, der inneren Energie (d. H. Der Temperatur) oder einer beliebigen Art der Wärmeübertragung verbunden ist.

Es gibt verschiedene Arten von thermodynamischen Prozessen mit besonderen Eigenschaften:

• Adiabatischer Prozess - ein Prozess ohne Wärmeübertragung in oder aus dem System.
• Isochorischer Prozess - Ein Prozess ohne Volumenänderung. In diesem Fall funktioniert das System nicht.
• Isobarer Prozess - ein Prozess ohne Druckänderung.
• Isothermer Prozess - ein Prozess ohne Temperaturänderung.

Aggregatzustände

Ein Materiezustand ist eine Beschreibung der Art der physischen Struktur, die eine materielle Substanz aufweist, mit Eigenschaften, die beschreiben, wie das Material zusammenhält (oder nicht). Es gibt fünf Materiezustände, von denen normalerweise nur die ersten drei in die Art und Weise einbezogen werden, wie wir über Materiezustände denken:

• Gas
• Flüssigkeit
• solide
• Plasma
• Superfluid (wie ein Bose-Einstein-Kondensat)

Viele Substanzen können zwischen der gasförmigen, der flüssigen und der festen Phase der Materie wechseln, während nur wenige seltene Substanzen bekanntermaßen in der Lage sind, einen Superfluid-Zustand einzunehmen. Plasma ist ein bestimmter Materiezustand, wie z. B. ein Blitz 

• Kondensation - Gas zu Flüssigkeit
• Einfrieren - flüssig bis fest
• Schmelzen - fest bis flüssig
• Sublimation - fest bis gasförmig
• Verdampfung - flüssig oder fest bis gasförmig

Wärmekapazität

Die Wärmekapazität, C, eines Objekts ist das Verhältnis der Änderung der Wärme (Energieänderung, ΔQ., wobei das griechische Symbol Delta & Dgr; eine Änderung der Menge bezeichnet, um die Temperatur zu ändern (& Dgr;T).

C = Δ Q. / Δ T

Die Wärmekapazität eines Stoffes gibt an, mit welcher Leichtigkeit sich ein Stoff erwärmt. Ein guter Wärmeleiter hätte eine geringe Wärmekapazität, was darauf hinweist, dass eine geringe Energiemenge eine große Temperaturänderung verursacht. Ein guter Wärmeisolator hätte eine große Wärmekapazität, was darauf hinweist, dass für eine Temperaturänderung viel Energieübertragung erforderlich ist.

Ideale Gasgleichungen

Es gibt verschiedene ideale Gasgleichungen, die sich auf die Temperatur beziehen (T₁), Druck (P₁) und Lautstärke (V₁). Diese Werte sind nach einer thermodynamischen Änderung durch (T₂), (P₂), und (V₂). Für eine bestimmte Menge eines Stoffes, n (gemessen in Mol) gelten folgende Beziehungen:

Boyles Gesetz ( T ist konstant):
P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂
Charles / Gay-Lussac Law (P ist konstant):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Ideales Gasgesetz:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R ist der ideale Gaskonstante, R = 8,3145 J / mol · K. Für eine bestimmte Menge an Materie also, nR ist konstant, was das ideale Gasgesetz ergibt.

Gesetze der Thermodynamik

• Nullgesetz der Thermodynamik - Zwei Systeme, die sich jeweils im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System befinden, befinden sich im thermischen Gleichgewicht zueinander.
• Erster Hauptsatz der Thermodynamik - Die Änderung der Energie eines Systems ist die dem System hinzugefügte Energiemenge abzüglich der für die Arbeit aufgewendeten Energie.
• Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik - Es ist unmöglich, dass ein Prozess allein die Übertragung von Wärme von einem kühleren auf einen heißeren Körper zur Folge hat.
• Dritter Hauptsatz der Thermodynamik - Es ist unmöglich, ein System in einer endlichen Reihe von Operationen auf den absoluten Nullpunkt zu reduzieren. Dies bedeutet, dass keine perfekt effiziente Wärmekraftmaschine erzeugt werden kann.

Das zweite Gesetz & Entropie

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik kann zur Diskussion gestellt werden Entropie, Das ist eine quantitative Messung der Störung in einem System. Die Änderung der Wärme geteilt durch die absolute Temperatur ist die Entropieänderung des Prozesses. Auf diese Weise definiert, kann das Zweite Gesetz wie folgt umformuliert werden:

In jedem geschlossenen System bleibt die Entropie des Systems entweder konstant oder nimmt zu.

Mit "geschlossenem System" ist das gemeint jeden Ein Teil des Prozesses wird in die Berechnung der Entropie des Systems einbezogen.

Mehr über Thermodynamik

In mancher Hinsicht ist es irreführend, die Thermodynamik als eigenständige Disziplin der Physik zu betrachten. Die Thermodynamik berührt praktisch alle Bereiche der Physik, von der Astrophysik bis zur Biophysik, weil sie sich alle in gewisser Weise mit der Energiewende in einem System befassen. Ohne die Fähigkeit eines Systems, Energie innerhalb des Systems für seine Arbeit zu nutzen - das Herzstück der Thermodynamik -, gibt es für Physiker nichts zu studieren.

Allerdings gibt es einige Bereiche, in denen nebenbei die Thermodynamik eingesetzt wird, um andere Phänomene zu untersuchen, während es eine Vielzahl von Bereichen gibt, die sich stark auf die jeweiligen thermodynamischen Situationen konzentrieren. Hier einige der Teilgebiete der Thermodynamik:

• Kryophysik / Kryogenik / Tieftemperaturphysik - die Untersuchung physikalischer Eigenschaften in Niedrigtemperatursituationen, die weit unter den Temperaturen liegen, die selbst in den kältesten Regionen der Erde auftreten. Ein Beispiel hierfür ist die Untersuchung von Superflüssigkeiten.
• Fluiddynamik / Strömungsmechanik - die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von "Flüssigkeiten", die in diesem Fall speziell als Flüssigkeiten und Gase definiert werden.
• Hochdruckphysik - das Studium der Physik in Hochdrucksystemen, allgemein im Zusammenhang mit der Fluiddynamik.
• Meteorologie / Wetterphysik - die Physik des Wetters, Drucksysteme in der Atmosphäre usw.
• Plasmaphysik - das Studium der Materie im Plasmazustand.