Gesetze der Thermodynamik

Der als Thermodynamik bezeichnete Wissenschaftszweig befasst sich mit Systemen, die Wärmeenergie in mindestens eine andere Energieform (mechanisch, elektrisch usw.) oder in Arbeit umwandeln können. Die Gesetze der Thermodynamik wurden im Laufe der Jahre als einige der grundlegendsten Regeln entwickelt, die befolgt werden, wenn ein thermodynamisches System eine Art Energiewandel durchläuft.

Geschichte der Thermodynamik

Die Geschichte der Thermodynamik beginnt mit Otto von Guericke, der 1650 die erste Vakuumpumpe der Welt baute und mit seinen Magdeburger Halbkugeln ein Vakuum demonstrierte. Guericke wurde getrieben, um ein Vakuum zu schaffen, um Aristoteles 'lang gehegte Annahme zu widerlegen, dass' die Natur ein Vakuum verabscheut '. Kurz nach Guericke hatte der englische Physiker und Chemiker Robert Boyle von Guerickes Entwürfen erfahren und 1656 in Abstimmung mit dem englischen Wissenschaftler Robert Hooke eine Luftpumpe gebaut. Mit dieser Pumpe stellten Boyle und Hooke eine Korrelation zwischen Druck, Temperatur und Volumen fest. Mit der Zeit wurde das Boyle'sche Gesetz formuliert, das besagt, dass Druck und Volumen umgekehrt proportional sind. 

Folgen der Gesetze der Thermodynamik

Die Gesetze der Thermodynamik sind in der Regel recht einfach zu formulieren und zu verstehen ... so sehr, dass die Auswirkungen, die sie haben, leicht unterschätzt werden können. Sie schränken unter anderem ein, wie Energie im Universum genutzt werden kann. Es wäre sehr schwer zu betonen, wie wichtig dieses Konzept ist. Die Konsequenzen der Gesetze der Thermodynamik berühren in gewisser Weise fast jeden Aspekt der wissenschaftlichen Forschung.

Schlüsselkonzepte zum Verständnis der Gesetze der Thermodynamik

Um die Gesetze der Thermodynamik zu verstehen, ist es wichtig, einige andere Thermodynamikkonzepte zu verstehen, die sich auf sie beziehen.

• Thermodynamik-Übersicht - eine Übersicht über die Grundprinzipien der Thermodynamik
• Wärmeenergie - eine grundlegende Definition von Wärmeenergie
• Temperatur - eine grundlegende Definition der Temperatur
• Einführung in die Wärmeübertragung - Erläuterung verschiedener Wärmeübertragungsmethoden.
• Thermodynamische Prozesse - Die Gesetze der Thermodynamik gelten hauptsächlich für thermodynamische Prozesse, wenn ein thermodynamisches System einen Energietransfer durchläuft.

Entwicklung der Gesetze der Thermodynamik

Das Studium der Wärme als besondere Energieform begann ungefähr 1798, als Sir Benjamin Thompson (auch als Graf Rumford bekannt), ein britischer Militäringenieur, feststellte, dass Wärme proportional zum Arbeitsaufwand erzeugt werden kann ... ein grundlegendes Konzept, das würde letztendlich eine Folge des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik werden.

Der französische Physiker Sadi Carnot formulierte erstmals 1824 ein Grundprinzip der Thermodynamik. Die Prinzipien, die Carnot verwendete, um seine zu definieren Carnot-Zyklus Die Wärmekraftmaschine würde schließlich vom deutschen Physiker Rudolf Clausius in den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik übersetzt, dem auch häufig die Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik zugeschrieben wird.

Ein Grund für die rasante Entwicklung der Thermodynamik im 19. Jahrhundert war die Notwendigkeit, während der industriellen Revolution effiziente Dampfmaschinen zu entwickeln.

Kinetische Theorie und Gesetze der Thermodynamik

Die Gesetze der Thermodynamik beschäftigen sich nicht besonders mit dem spezifischen Wie und Warum der Wärmeübertragung, was für Gesetze, die vor der vollständigen Übernahme der Atomtheorie formuliert wurden, Sinn macht. Sie befassen sich mit der Gesamtsumme der Energie- und Wärmeübergänge innerhalb eines Systems und berücksichtigen nicht die Besonderheiten der Wärmeübertragung auf atomarer oder molekularer Ebene.

Das Nullgesetz der Thermodynamik

Dieses Nullgesetz ist eine Art Übergangseigenschaft des thermischen Gleichgewichts. Die transitiven Eigenschaften der Mathematik besagen, dass wenn A = B und B = C, dann A = C. Dasselbe gilt für thermodynamische Systeme, die sich im thermischen Gleichgewicht befinden.

Eine Konsequenz des Null-Gesetzes ist der Gedanke, dass die Messung der Temperatur irgendeine Bedeutung hat. Um die Temperatur messen zu können, muss ein thermisches Gleichgewicht zwischen dem gesamten Thermometer, dem Quecksilber im Inneren des Thermometers und der zu messenden Substanz hergestellt werden. Dies führt wiederum dazu, dass die Temperatur des Stoffes genau bestimmt werden kann.

Dieses Gesetz wurde verstanden, ohne in der Geschichte der Thermodynamikforschung ausdrücklich erwähnt zu werden, und es wurde erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts als eigenständiges Gesetz erkannt. Es war der britische Physiker Ralph H. Fowler, der den Begriff "Zeroeth Law" zum ersten Mal prägte, da er der Ansicht war, er sei grundlegender als die anderen Gesetze.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Obwohl dies komplex klingen mag, ist es wirklich eine sehr einfache Idee. Wenn Sie einem System Wärme hinzufügen, können Sie nur zwei Dinge tun - die interne Energie des Systems ändern oder das System zum Funktionieren bringen (oder natürlich eine Kombination aus beiden). Die gesamte Wärmeenergie muss in diese Dinge fließen.