Hauptsätze der Wärmelehre

Hauptsätze der Wärmelehre
Innere Energie U — die Energie der chaotischen
Bewegung (Wärmebewegung) der Mikroteilchen des Systems
(Moleküle, Atome, Elektronen, Atomkerne usw.)
und die Wechselwirkungsenergie dieser Teilchen.
Die innere Energie ist:
•eine eindeutige Funktion des thermodynamischen Zustandes
des Systems
•unabhängig davon, wie das System in diesen Zustand gelangte
•ist vergleichbar zur potentiellen Energie der Mechanik,
d.h. ist gespeicherte Energie
•innere Energie dient der Beschreibung eines Prozesses bei
konstantem Volumen (isochorer Prozess)
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Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre
Arbeit dW
Alles, was Medium zugefuhrt wird,
wird positiv gerehnet, Abgabe negativ.
Medium
dU
Warme dQ
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U = n ⋅ N A ⋅ Wkin = nRT
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Innere Energie
Dann gilt:
dU = dQ + dW
Energieerhaltung
Für ideales Gas dU = dQ + pdV
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Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre
Die
Der 1 HS ist nichts anderes als Energieerhaltungssatz
unter Einbeziehung von Warme als Energieform
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Reversible und irreversible Prozesse
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Der 2 Hauptsatz der Wärmelehre
•(Erfahrungs-) Tatsache
mann kann die Wärme nicht ohne weiteres
in mechanischne Arbeit umwandeln
Wärme ist eine ungeordnete Bewegung, die man allenfalls teilweise
in geordnete mechaniscne Arbeit mechanischne Arbeit
(Etwa als kinetische Energie eines Fahrzeugs) umwandeln kann.
•Man kann die Unordnung der Welt nie verringern,
aber man vergrossert sie durch (fast) alles, was man tut.
•Die Erzeugung von mechanischne Arbeit aus Warme
verringert nicht die Unordnung in der Welt. Sie verlagert sie nur.
Die Physiker haben fur die Unordnung eigenen Begrieff,
mit den man rechnen kann:
Die Entropie
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Entropie
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Entropie
•Weitere Möglichkeit der Einführung der Entropie:
als ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein bestimmter
Zustand realisieren lässt
•Diese Wahrscheinlichkeit umso höher, je geringer die Ordnung
im System
Entropie
Maß für den Ordnungsgrad des System
∆S = k lnW
Die Entropie eines Zustandes ist proportional dem Logarithmus
seiner thermodynamischen Wahrscheinlichkeit
Boltzmann (1872)
Für zwei Systeme, die nicht in Kontakt stehen, ist W der gleich
dem Produkt der Einzelwahrscheinlichkeiten W = W1.W2
Dann
S = S1 + S2
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Der 2. Hauptsatz
∆S > 0
Dieser Satz ist ein Erfahrungssatz, d.h. es ist physikalisch nicht
unmöglich dass etwas passiert das den 2. Hauptsatz widerlegt,
es ist nur extrem unwahrscheinlich.
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Der 2. Hauptsatz der Wärmelehre
Maxwellscher Dämon ein Gedankenexperiment
Verstoß gegen den zweiten Hauptsatz:
Perpetuum Mobile zweiter Art!
physikalisch nicht realisierbar
kleines Loch mit Klappe
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Der 2. Hauptsatz der Wärmelehre
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik hat tiefe philosophische
Diskussionen hervorgebracht, weil er die in allen mikroskopischen
Systemen bestehende Zeitsymmetrie (die Vergangenheit verhält sich
wie die Zukunft) bricht und eine Zeitachse auszeichnet. Teilweise wird
versucht, das Wesen der Zeit mit dem Zweiten Hauptsatz zu verstehen.
Energiebilanz beim lebenden Organismus
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Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik
Die ersten beiden Hauptsätze der Thermodynamik geben nur
ungenügend Auskunft über das Verhalten thermodynamischer
Systeme bei Null Kelvin.
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik
(oder das Theorem von Nernst und Planck):
Die Entropie aller Körper strebt im Gleichgewichtszustand bei
Annäherung der Temperatur gegen Null Kelvin gegen Null.
lim
S =0
T →0
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Nullter Hauptsatz
Wenn A und B sowie B und C die gleiche Temperatur haben,
so hat A die gleiche Temperatur wie C.
Dieses Gesetz wurde erst nach den anderen drei formuliert,
obwohl es eine wichtige Basis bildet.
Deswegen die seltsame Nummerierung.
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Richtungsabhängigkeit
Entropie und Energie
Da die Entropie in einem abgeschlossenen System sich
immer in eine Richtung entwickelt, wollen wir
Entropie eine Richtungsgröße nennen, zum
Unterschied von der Energie, die für dasselbe System
eine Erhaltungsgröße ist.
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Schlussfolgerungen
Es sind viele Schlussfolgerungen möglich. Einige davon:
• Alle natürlichen Prozesse sind irreversibel.
• Alle Prozesse mit Reibung sind irreversibel.
• Wärme kann nie von selbst von einem Körper niedriger
Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen.
Es ist dazu Energie von außen notwendig (z. B. Kühlschrank,
Wärmepumpe).
• Wärme lässt sich nicht komplett in andere Energieformen
umwandeln.
• Das Gleichgewicht isolierter thermodynamischer Systeme ist
durch ein Maximalprinzip der Entropie ausgezeichnet.
• Die Entropie im Universum strebt einem Maximum zu.
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Einstein zur Thermodynamik
"A theory is the more impressive the greater the simplicity of
its premises, the more different kinds of things it relates, and
the more extended its area of applicability. Hence the deep
impression that classical thermodynamics made upon me.
It is the only physical theory of universal content concerning
which I am convinced that within the framework of
applicability of its basic concepts, will never be overthrown.“
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