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Thermodynamik


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Die Thermodynamik ein Teilgebiet der Physik mit Anwendung auch in der Chemie ist das Studium der Energie deren Umwandlung zwischen verschiedenen Erscheinungsformen und Fähigkeit Arbeit zu leisten . Sie besitzt einen großen Umfang von einschließlich des Wirkungsgrades von Maschinen Phasenumwandlungen und Zustandsgleichungen . Sie basiert auf den vier Hauptsätzen Thermodynamik:

Inhaltsverzeichnis

Nullter Hauptsatz

Wenn A sich mit B sowie sich mit C im thermischen Gleichgewicht befindet befindet sich auch A mit C im

Anders formuliert das Gleichgewicht ist transitiv. erlaubt es eine neue Zustandsgroesse die empirische <math> \theta </math> einzuführen so dass zwei genau dann die gleiche Temperatur haben wenn sich im thermischen Gleichgewicht befinden. Dieses Gesetz erst nach den anderen drei formuliert obwohl eine wichtige Basis bildet. Deswegen die seltsame

Erster Hauptsatz

In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant. In einem System ist die Änderung der Gesamtenergie die aus zugeführter Wärme und an das System geleisteter Arbeit reduziert um die abgeführte Wärme und vom System geleistete Arbeit. Die einzelnen Energieformen sich ineinander umwandeln aber Energie kann nicht dem Nichts erzeugt werden und auch nicht werden.

Dies ist der Satz der Energieerhaltung . Analog kann man sagen es gibt Perpetuum Mobile erster Art. Zu beachten ist jedoch aus der Relativitätstheorie folgende Äquivalenz von Masse und Energie: Materie und Antimaterie können sich in Energie umwandeln und

Der erste Hauptsatz als Formel ausgedrückt:

<math>\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\int^{}_{V_{kv}} \rho \left( u + \frac gz \right) \mathrm{d}V = \sum_{k} \left[ \dot{m}\left( + \frac {w^2}{2}+ gz \right)\right]_k + \dot{Q} \dot{W_t} - p \frac {\mathrm{d}V_{kv}}{\mathrm{d}t}</math>

Zweiter Hauptsatz

In einem abgeschlossenen System nimmt die Entropie nicht ab.

Dieser Satz ist ein Erfahrungssatz d. es ist physikalisch nicht unmöglich dass etwas passiert das den 2. widerlegt es ist nur extrem unwahrscheinlich .

Beispiel: Ein am Boden liegender Stein kühlt ab und springt in die Luft. Um zu erreichen müssten die Atome des Steins üblicherweise völlig beliebig um ihre Ruhelage schwingen gleichzeitig nach oben schwingen was natürlich nicht unmöglich ist. Nur sehr unwahrscheinlich. Ein etwas Beispiel: Ein Ziegel fällt vom Dach auf Erde und erzeugt dabei Wärme die Erde sich. Die Wärme verbreitet sich der Ziegel ab. Springt der Ziegel wieder aufs Dach das Loch in der Erde weg wenn ein Feuerchen macht?

Die thermodynamische Definition der Entropie beruht der Untersuchung reversibler und irreversibler thermodynamischer Prozesse die das thermodynamische System von einem in einen Endzustand bringen. Während bei einem Kreisprozess die Entropie erhalten bleibt nimmt sie einem irreversiblen Prozess (z. B. Reibung) zu. Wiederherstellung des (oft 'geordneter' genannten) Anfangszustandes erfordert den Einsatz von Energie.

Der Zweite Hauptsatz ist schwer zu In der klassischen Mechanik sind alle Vorgänge reversibel (zeitlich umkehrbar). Dagegen findet die Thermodynamik (zeitlich unumkehrbare) Vorgänge obwohl die zugrundeliegenden Einzelvorgänge die Bewegungen der Teilchen eines Idealen Gases ) reversibel sind.
Dieser (scheinbare) Widerspruch zwischen Klassischer Mechanik Thermodynamik wird in der Statistischen Mechanik durch eine Betrachtung der mikroskopischen Zustände analysiert. Auch die Verknüpfung von Entropie als Maß der Ordnung oder Unordnung eines Systems wird in Statistischen Mechanik hergestellt.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik hat philosophische Diskussionen hervorgebracht weil er die in mikroskopischen Systemen bestehende Zeitsymmetrie (die Vergangenheit verhält wie die Zukunft) bricht und eine Zeitachse Teilweise wird versucht das Wesen der Zeit mit dem Zweiten Hauptsatz zu verstehen.

Schlussfolgerungen

Es sind viele Schlussfolgerungen möglich. Einige
  1. Alle natürlichen Prozesse sind irreversibel .
  2. Alle Prozesse mit Reibung sind irreversibel .
  3. Wärme kann nie von selbst von einem niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur Dazu ist eine Kompensation durch andere irreversible notwendig (z. B. Kühlschrank Wärmepumpe ).
  4. Das Gleichgewicht isolierter thermodynamischer Systeme ist ein Maximalprinzip der Entropie ausgezeichnet.

Einen Versuch den zweiten Hauptsatz der zu entkräften machte James_Clerk_Maxwell mit dem Gedankenexperiment das heute als Maxwellsche Dämon bekannt ist. Es entspricht der Schaffung Perpetuum Mobile zweiter Art.

Dritter Hauptsatz

( Nernst 'scher Wärmesatz) Am absoluten Nullpunkt der Temperatur die Entropie eines perfekten Kristalls gleich Null.

Der 3. Hauptsatz wird auch mit des absoluten Nullpunktes" beschrieben. Mit der Entropie nämlich auch die Wärmekapazität gegen 0 was es müssen immer grössere Energiemengen aufgewendet werden die Temperatur zu erniedrigen.

Mit diesem Satz von Axiomen kann ganze klassische Thermodynamik aufgebaut werden. Einen alternativen zur Thermodynamik liefert die Statistische Mechanik die thermodynamische Eigenschaften aus Verhalten einer Anzahl von Teilchen (z. B. Gasmoleküle Atome Festkörper) zu bestimmen sucht.

In der Chemie und Biologie ist die Thermodynamik ebenfalls Bedeutung. Sie kann erklären warum bestimmte Reaktionen freiwillig ablaufen und andere nicht. Insbesondere durch den Begriff der Entropie erklärt werden warum manche Reaktionen freiwillig die Energie benötigen.

Siehe auch

Weblinks

Literatur

  • Allgemein
    • H. B. Callen Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics Wiley Text Books 2 edition 1985 0471862568
    • K. Stephan Franz Mayinger Thermodynamik 2 Bde. Bd. 1 Einstoffsysteme Bd. 2 Mehrstoffsysteme und chemische Reaktionen Springer Verlag 14. Auflage 1999 ISBN: und 3540644814
  • Chemische Thermodynamik:
    • W. Wagner Chemische Thermodynamik 4. Auflage Akademie Verlag Berlin 1982
    • H.-H. Möbius Chemische Thermodynamik VEB Verlag für Grundstoffindustrie 1973
    • H.-W. Kammer K. Schwabe Einführung in die Thermodynamik irreversibler Prozesse Akademie Verlag Berlin 1984
    • H.-J. Bittrich Leitfaden der chemischen Thermodynamik Verlag Chemie Weinheim 1971
  • Thermodynamik in der Biologie:
    • D. Leuschner Thermodynamik in der Biologie Akademie Verlag Berlin 1989




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