Die Hauptsätze der Thermodynamik - ltg

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Die Hauptsätze der
Thermodynamik
prof. Rodica Moise
Deutsches Theoretisches Lyzeum
“Johann Ettinger” Satu Mare
Nullter Hauptsatz der
Thermodynamik
Gegeben seien drei Systeme A, B und C. Wenn sich A
und B im thermischen Gleichgewicht (gleiche
Temperatur) befinden und B im thermischen
Gleichgewicht ist mit C, so sind A und C ebenfalls im
thermischen Gleichgewicht. Wenn irgendeines dieser
Systeme in Kontakt mit einem anderen System
kommt, wird die Energie durch Wärmefluss
gleichmässig in allen beteiligten Systeme verteilt, d.h.
die Temperatur ist in allen Systemen gleich.
Erster Hauptsatz der
Thermodynamik

Das erste Gesetz der Thermodynmik konzentriert sich
auf die Existenz der Einheit der Energie. Es gilt: "Für
jeden Prozess, der nur die Verschiebung einer Masse
zwischen zwei spezifischen Höhen in einem
Gravitationsfeld beinhaltet und keine äusseren
Einflüsse auf das System wirken, bleibt die Grösse
der Masse am Ende des Prozesses erhalten und ist
unabhängig von Details des Prozesses".
1. Definition der Wärme


Wenn zwei Objekte, die unterschiedliche
Temperaturen besitzen, in Kontakt kommen,
tritt ein thermodynamischer Prozess auf, der
das thermische Gleichgewicht zwischen den
Objekten herstellt. Wissenschafter erklärten
dieses Phänomen im 18. Jahrhundert mit dem
Prinzip des Wärmestoffs (Caloricums) oder
der Wärme. Diese ist eine Form der Energie
und kann gespeichert werden und in
mechanische Energie überführt werden.
Sie
wurde
in
Kalorien
gemessen.
2. Gleichheit von Arbeit


Arbeit ist das Resultat, wenn eine Kraft auf einen
Körper wirkt und diesen in Bewegung versetzt.
Der Interaktion von Arbeit zwischen zwei
Systemen
kann
eine
bestimmte
Grösse
zugeordnet werden. Diese Zahl kann durch eine
bestimmte Höhenänderung einer Masse in einem
Gravitationsfeld verglichen werden. Wenn die
Arbeit vom System verrichtet wird (einem
steigenden Gewicht), dann hat sie ein positives
Vorzeichen.
Die
Einheit,
welche
geleistete
Arbeit
kennzeichnet,
ist
"Joule".
3. Definition der Energie


Wenn in einem System Arbeit verrichtet wirk,
resultiert immer eine Zustandsänderung. A
sei
die
Startposition
und
B
die
Schlussposition. In A existiert eine Gewisse
Energie (EA), die Arbeit (W) benötigt, um
nach B zu gelangen und dort eine andere
Energie (EB) zu besitzen.
Deshalb
gilt
EA
+
W
=
EB.
4. Energieerhaltung

Besagt, dass die Energie nur von einer Form in eine
andere überführt werden kann. Sie kann nicht
geschaffen oder zerstört werden. Aus diesem Grund
ist die Summe aus der Wärme, die auf ein System
übertragen wurde und der Arbeit, die am System
verrichtet wurde, gleich der inneren Energie des
Systems. Dieses Gesetz jedoch kann nicht auf
nukleare Energie angewendet werden, da diese
produziert wird, wenn Atome einer Materie
fusionieren
oder
gespalten
werden.
Der
Energieerhaltungssatz wird oft zusammen mit dem
Massenerhaltungssatz kombiniert. Dies ist darum der
Fall, da Materie in Energie umgewandelt werden
kann.
5. Unmöglichkeit eines
Perpetuum Mobile erster Art

Ein Perpetuum Mobile erster Art
(pmm1) ist ein hypothetisches System,
das keine Energie benötigt, um Arbeit
zu verrichten. Dagegen ist bekannt,
dass eine Maschine Energie braucht, um
Arbeit verrichten zu können. Deshalb ist
das ppm1 eine unmögliche Maschine.
Zweiter Hauptsatz der
Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik befasst
sich vor allem mit den Gleichgewichtzuständen von
Systemen
und
mit
den
Prozessen,
die
Zustandsänderungen zwischen Systemen ergeben.
Das Wort Gleichgewicht bedeutet, dass der Zustand
eines Systems unverändert bleibt, während es von
anderen Systemen isoliert ist, die in der Umgebung
gefunden werden könnten. Es heisst: "Unter allen
erlaubten Zuständen eines Systems mit spezifischen
Werten von Energie, Zwang und Partikelzahl ist nur
eines in konstantem Gleichgewichtszustand". Andere
Hypothesen
wurden
aus
dem
Hauptsatz
ausgeschlossen.
Formulierung von
Clausius

Es gibt keine Zustandsänderung,
deren
einziges
Ergebnis
die
Übertragung von Wärme von
einem Körper niederer auf einen
Körper höherer Temperatur ist

Einfacher ausgedrückt: Wärme kann nicht von selbst
von einem Körper niedriger Temperatur auf einen
Körper höherer Temperatur übergehen. Diese
Aussage scheint zunächst überflüssig zu sein, denn
sie entspricht der alltäglichen Erfahrung, wie die über
die Anziehungskraft der Erde. Dennoch ist sie
äquivalent
zu
allen
weiteren,
weniger
„selbstverständlichen"
Aussagen,
denn
alle
Widersprüche zu den anderen Aussagen lassen sich
auf einen Widerspruch zu dieser zurückführen.
Formulierung von
Kelvin, Lord William
Thomson

Es gibt keine Zustandsänderung,
deren einzige Ergebnisse das
Abkühlen eines Körpers und das
Heben eines Gewichtes sind.
Carnot-Prozess

Es gibt keine Wärmekraftmaschine, die bei
gegebenen
mittleren
Temperaturen
der
Wärmezufuhr
und
Wärmeabfuhr
einen
höheren Wirkungsgrad hat als der aus diesen
Temperaturen gebildete Carnot-Wirkungsgrad.
1. Zustandsprinzip

Wie
bekannt
ist,
bezieht
sich
der
Gleichgewichtszustand eines Systems auf die
Werte von Energie, Zwang und Partikelzahlen
in eben diesem System. Das Zustandsprinzip
besagt, dass die Werte jeder Eigenschaft
eines
Systems
in
einem
Gleichgewichtszustand
nur
durch
eine
Funktion der Werte von Energie, Zwang und
Partikelzahl beschrieben werden kann.
2. Reversible und irreversible
Prozesse

Wenn ein System und seine Umwelt
Zustandsänderungen erfahren könne und das
System fähig ist, seinen ursprünglichen
Zustand wieder zu erreichen, wird dies ein
reversibler Prozess genannt. Auf der anderen
Seite, wenn ein System von seinem
ursprünglichen Zustand zu einem festen
Gleichgewichtszustand
übergeht,
ohne
Beeinflussung der Umwelt, so wird dies ein
irreversibler
Prozess
genannt.
3. Unmöglichkeit eines
Perpetuum Mobile zweiter Art

Ein System in einem festen Gleichgewichtszustand kann keine Arbeit verrichten, sondern
nur aufnehmen. Wenn ein System in einem
festen Gleichgewichtszustand Arbeit verrichten
könnte,
würde
es
in
einen
NichtGleichgewichtszustand
wechseln,
ohne
Beeinflussung der Umwelt. Diese unmögliche
Annahme ist der Grundsatz des Perpetuum
Mobile zweiter Art (ppm2). Es ist eine Maschine,
die Arbeit aus einem Gleichgewichtszustand
verrichtet.
4. Gemeinsamer
Gleichgewichtszustand
Wenn sich 2 Systeme A und B in einem
gemeinsamen Gleichgewicht befinden,
befinden sich beide auch in einem
festen Gleichgewichtszustand. Weiter,
wenn der Zustand eines der Systeme
geändert wird, wenn A und B
verbunden sind, ändert der Zustand des
zweiten
Systems
ebenfalls.
5. Definition der Entropie

Die Entropie ist ein Mass für die Unordnung in einem
System oder ein Mass, wie nahe ein System dem
Gleichgewicht ist. Sie liefert den Wert, wieviel
thermische Energie zur Verrichtung von Arbeit
vorhanden ist. Dies bedeutet, je weniger Entropie,
desto weniger Energie zur Verfügung. Der zweite
Hauptsatz besagt, dass die Entropie nicht von alleine
abnehmen kann. Als Folgerung dieses Satzes gilt,
dass eine Maschine nur Arbeit verrichten kann, wenn
Wärme abgeführt wird, mit anderen Worten: Eine
Maschine funktioniert nur, wenn sie gekühlt wird
Dritter Hauptsatz der
Thermodynamik
Aufgrund des zweiten Satzes wird der absolute
Nullpunkt in einer absoluten Temperaturskala mit
einbezogen. Der dritte Hauptsatz besagt, dass der
absolute Nullpunkt durch kein Verfahren erhalten
werden kann. Es ist nur möglich, sich dem absoluten
Nullpunkt zu nähern, aber unmöglich, ihn zu
erreichen. Der dritte Hauptsatz definiert auch den
Wert null Entropie, indem er angibt, dass alle Körper
am absoluten Nullpunkt die gleiche Entropie haben.
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