10. Thermodynamik - physik.fh
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10. Thermodynamik Inhalt 10. Thermodynamik 10.1 10.2 10.3 10.4 Temperatur und thermisches Gleichgewicht Thermometer und Temperaturskala Thermische Ausdehnung Wärmekapazität 10. Thermodynamik 10. Thermodynamik 10. Thermodynamik 10. Thermodynamik Aufgabe: - Temperaturverhalten von Gasen, Flüssigkeiten, Festkörpern - Transport von Wärme - Umwandlung von Energie - Änderung der inneren Energie usw. Problem: Teilchenzahl groß (N > 1023) zur Beschreibung makroskopische Größen notwendig: Druck, Temperatur, innere Energie, Wärme, ... 10.1 Temperatur und thermisches Gleichgewicht Was ist Temperatur ? heiß Messbar durch: ∆l eines Festkörpers, ∆V einer Flüssigkeit, Farbe eines glühenden Objektes, .... kalt Temperaturskala ??? 10.1 Thermisches Gleichgewicht 10. Thermodynamik 10.1 Thermisches Gleichgewicht Es gilt: Will man einen heißen Körper abkühlen, bringt man ihn in Kontakt mit einem kälteren. Es gilt: Nullter Hauptsatz der Thermodynamik Sind zwei Körper im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten, so stehen sie auch untereinander in einem thermischen Gleichgewicht. Möglichkeit der Definition einer Temperaturskala 10.2 Thermometer und Temperaturskala 10. Thermodynamik 10.2 Thermometer und Temperaturskala 10.2 Thermometer und Temperaturskala Temperatur bestimmt, ob System mit anderem System im thermischen Gleichgewicht ist. Für Temperaturskala nutze man Eigenschaften der Materie, z.B. Volumenänderung. Beispiel: Ausdehnung von Hg in einem Quecksilberthermometer. Fixpunkte: - Gefrierpunkt von Wasser = 0o C - Siedepunkt von Wasser = 100o C - Skala in 100 gleichgroße Teile Probleme: - Extrapolation auf andere Temperaturbereiche kritisch - Reproduzierbarkeit der Fixpunkte kritisch - Skala materialabhängig Lösung: Man nutze als Fixpunkt den Tripel-Punkt von (z.B.) Wasser. 10.2 Thermometer und Temperaturskala 10. Thermodynamik 10.2 Thermometer und Temperaturskala Tripel-Punkt: Gas, Flüssigkeit, Festkörper im Gleichgewicht Drei Temperaturskalen in Gebrauch: - Celsius-Skala ϑ in oC - Fahrenheit-Skala tf in oF (Angelsachsen) - Kelvin-Skala T in K (Wissenschaft) Es gilt: Temperatur nach oben unbegrenzt Temperatur nach unten begrenzt Def.: T = 0 K 10.3 Thermische Ausdehnung 10. Thermodynamik 10.3 Thermische Ausdehnung 10.3 Thermische Ausdehnung Längenausdehnung Es gilt: Mit Längenausdehnungskoeffizient α Es gilt i.A. α= f(T) Volumenausdehnung γ : Volumenausdehnungskoeffizient γ = 3 α für isotrope Materialien 10.3 Thermische Ausdehnung 10. Thermodynamik 10.3 Thermische Ausdehnung Ursache für Längenausdehnung ? Epot (x) 10.3 Thermische Ausdehnung 10. Thermodynamik 10.3 Thermische Ausdehnung Längenausdehnugskoeffizienten Volumenausdehnungskoeffizienten 10.3 Thermische Ausdehnung 10. Thermodynamik 10.4 Wärmekapazität 10.4 Wärmekapazität Frage: Was ist Wärme Q ? Antwort: Energie, die von System 1 auf System 2 übergeht wegen einer Temperaturdifferenz ∆T Es gilt: Zufuhr von Wärme Temperaturerhöhung Es gilt: Zufuhr von gleicher Wärmemenge Q kann zu unterschiedlichen ∆T führen = f (Wärmekapazität C) Wärme: ∆Q und C(T) werden an Standardobjekt definiert Man nehme: 1kg Wasser mit und führe ∆Q zu, bis Def.: ∆Q = 4,187 kJ ϑ = 14,5 oC ϑ = 15,5 oC ( = 1 kcal (nicht mehr erlaubt)) 10.4 Wärmekapazität 10. Thermodynamik 10.4 Wärmekapazität Es gilt: C~m Def.: spezifische Wärmekapazität c = C/m kJ kg-1K-1 Def.: molare Wärmekapazität cM = C/n kJ mol-1K-1 Def.: 1 mol = 6,034 x 1023 Teilchen Es gilt: Masse von 1 mol einer Substanz = Molmasse Es gilt: molare Masse einer Verbindung (z.B. CO2) ist gleich der Summe der der molaren Massen der Elemente Für praktische Zwecke gilt: 10.4 Wärmekapazität 10. Thermodynamik 10.4 Wärmekapazität Spezifische Wärmekapazitäten Spezifische Wärmekapazität von Wasser 10.4 Wärmekapazität 10. Thermodynamik 10.4 Wärmekapazität Es gilt: Trotz Wärmezufuhr kann ∆T = 0 sein. Grund: Phasenübergang Beispiele: Flüssig à gasförmig fest à flüssig Die zur Umwandlung notwendige Wärme = latente Wärme z.B. Schmelzwärme QS, Verdampfungswärme QV 10.5 Wärmetransport
