1_7_Thermodynamik
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Innere Energie Wagen stößt gegen die Wand Wagen stößt gegen die Wand prallt elastisch von der Wand zurück Energieform bleibt kinetische Energie bleibt vor der Wand stehen kinetische Energie wird in innere Energie umgewandelt (Federschwingungen) Thermodynamik 1 Innere Energie Innere Energie = kinetische Energie + potenzielle Energie Bewegung der Teilchen Anordnung der Teilchen Erhöhung der inneren Energie: durch Zufuhr mechanischer Arbeit (z.B. Reibungs-, Ausdehnungs, Kompressionsarbeit) = Arbeit W durch Übertragung von ungeordneter Teilchenbewegung von einem Körper auf einen anderen übergeht aufgrund eines Temperaturgefälles = Wärme(menge) Q. Thermodynamik 2 Temperaturerhöhung im Teilchenmodell (kinetisches Wärmemodell) • die Teilchen bewegen sich umso schneller (Federschwingungen), je höher die Temperatur eines Gegenstandes ist. Wärme kann übertragen werden ! • die Teilchen benötigen für die schnellere Bewegung mehr Platz (Volumenausdehnung). mechanische Arbeit kann verrichtet werden ! Ausdehnung von Festkörpern: Gitterschwingungen (näherungsweise harmonisch) Ausdehnung von Flüssigkeiten: Zitterbewegungen (kaum Gleichgewichtslagen) Ausdehnung von Gasen: freie Weglängen nehmen zu (keine Gleichgewichtslagen) Thermodynamik 3 Beweise für das kinetische Wärmemodell • Brownsche Molekularbewegung: Sie ist nach dem schottischen Botaniker Robert Brown benannt, der sie 1827 bei seinen Untersuchungen von Pollenkörnern als unregelmäßige Zick-Zack-Bewegung unter dem Lichtmikroskop beobachtete. Robert Brown (1773 - 1858) Brown erkannte, dass die unter dem Mikroskop sichtbaren Partikel ständig von den viel kleineren und daher unsichtbaren Molekülen der Flüssigkeit angestoßen wurden. Original-Mikroskop von Brown Thermodynamik 4 Beweise für das kinetische Wärmemodell • Diffusion: selbständiges Durchmischen von Teilchen verschiedener Stoffe aufgrund der Teilchenbewegung • Osmose: Diffusion durch eine semipermeable Membran Thermodynamik 5 Spezifische Wärme Die innere Energie eines Gegenstandes ist abhängig von seinen Struktureigenschaften: - Masse: Menge des Stoffes, auf den sich die Energie verteilt - spezifische Wärmekapazität: Eigenschaft des Stoffes, Wärme anzunehmen/abzugeben Quantifizierung mit Hilfe bekannter Energiemengen über die Energieerhaltung: Q = WReibung , (mechanisches Wärmeäquivalent) Q = Welektr = U * I * t , (elektrisches Wämeäquivalent) Messung von Q mittels verschiedene Massen: Q/ m ~ verschiedene Substanzen: Q / (m ) ~ c ΔEtherm Q= m c 6 1. Hauptsatz der Wärmelehre Umformulierung des Energieerhaltungssatzes im Wärmemodell: „Die einem System zugeführte Wärmemenge Q ist gleich der vom System verrichteten Arbeit W und der Änderung seiner inneren Energie ΔU“ W >0 W <0 Umgebung E Q = W + ΔU A System ΔU Q >0 Q <0 A E Beispiel: Mischung von Flüssigkeiten Volumenänderung wird vernachlässigt: ΔU = Q wärmere Flüssigkeit gibt Wärme ab: - Q = - m * c * kältere Flüssigkeit nimmt Wärme auf: +Q = m * c * Energieerhaltung: - Q + Q = 0 (Annahme: abgeschlossenes System) 7 2. Hauptsatz der Wärmelehre Gemäß dem 1.Hauptsatz wäre der Mischungsvorgang auch umkehrbar: eine Wassermenge einer bestimmten Temperatur trennt sich in zwei Teilmengen unterschiedlicher Temperatur (kältere und wärmere Bereiche); die Summe der beiden inneren Energien der Teilmengen entspricht der ursprünglichen Gesamtwärme. Dieser Vorgang wird in der Natur nie beobachtet. (Es müßte eine Wärmemenge Q in den wärmeren Bereich übertragen werden) Der 2. Hauptsatz ist ein empirischer Satz, der die Natur beschreibt: „Die Wärmemenge Q wird stets vom wärmeren zum kälteren Gegenstand abgegeben.“ In der Natur existieren nur Prozesse, die selbständig in diese eine Richtung ablaufen. Sie sind unumkehrbar (irreversibel). 8 Unmöglichkeit des Perpetuum Mobile Eine Konsequenz aus 2. und 1.Hauptsatz ist, daß Wärme nur dann in Arbeit überführt werden kann, wenn a) eine Wärmemenge Q von dem wärmeren auf den kälteren Gegenstand übergeht und b) die inneren Energien sich ändern (ΔU ungleich Null). Also ist W ungleich Q, wegen Q = W + ΔU. Wärme ist nicht vollständig in Arbeit überführbar. Der kältere Gegenstand erwärmt sich. Diese Erwärmung ist aber nicht vollständig nutzbar! Konsequenz: In einem abgeschlossenen System nimmt die Wärmeübertragung zu, die mechanisch nutzbare Arbeit ab. Ein „Perpetuum Mobile“ muss deshalb zur Ruhe kommen, wenn seine 9 Bewegungsenergie vollständig in innere Energie umgewandelt ist. Wärmetransport 1. Wärmeleitung In festen Körpern oder nicht bewegten Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet man die Übertragung der Bewegungsenergie von einem Teilchen auf ein Nachbarteilchen als Wärmeleitung. z.B. Festkörper: Energietransport über Gitterschwingungen der beteiligten Teilchen (Phononen) Die Wärmeleitung ist so lange zu beobachten, bis überall die gleiche Temperatur herrscht. Thermodynamik 10 Wärmetransport 2. Wärmeströmung (Konvektion) Wird einem flüssigen oder gasförmigen Körper Wärme zugeführt, steigt die Temperatur und die Teilchen bewegen sich schneller. Der erwärmte Bereich dehnt sich aus, sein Volumen vergrößert sich und seine Dichte nimmt ab. Schnellere Teilchen haben genug Energie, um im Gravitationsfeld auch nach oben entweichen zu können, langsamere werden hingegen nach unten gezogen: unten entsteht ein Druck und oben ein Sog, in Folge davon die Konvektion. Thermische Zirkulation (Wetter, Warmwasserheizung ...) 11 Wärmetransport 3. Wärmestrahlung Strahlung ist eine Form von Energie. Strahlungsanteile mit Wellenlängen größer als sichtbares Licht empfinden wir als Wärme, deshalb wird diese „infrarote“ Strahlung auch als Wärmestrahlung bezeichnet. Im Prinzip kann jede absorbierte Strahlung erwärmen: Mikrowelle, Handy (Gefahr für die Hornhaut des Auges) Im Unterschied zu Wärmeleitung und Wärmeströmung kann sich Wärmestrahlung auch im Vakuum ausbreiten. Thermodynamik 12
