thermo 1

Thermodynamik 1.
Typen der thermodynamischen Systeme.
Intensive und extensive Zustandsgröße.
Phasenübergänge.
Ausdehnung bei Erwärmung.
Nullter und Erster Hauptsatz der Thermodynamik.
Thermodynamische Systeme
Ein thermodynamisches System ist ein durch eine Systemgrenze von seiner Umgebung
abgetrennter Raumbereich, der durch Zustandsgrößen gekennzeichnet werden kann.
Solche Zustandsgrößen, die ein System kennzeichnen, sind z.B. die Temperatur, der Druck, das
Volumen, die Dichte, die innere Energie, die Teilchenanzahl oder die Geschwindigkeit der Teilchen.
Wie andere physikalische Systeme kann auch ein thermodynamisches System abgeschlossen,
geschlossen oder offen sein.
Zustandsgrößen
Es gibt zwei Sorten von Zustandsgrößen: 'Extensive' und 'intensive' Zustandsgrößen.
Extensive Größen zeichnen sich dadurch aus, dass sie von der Menge der Systembestandteile
abhängen, dass also eine Systemteilung zu einer Reduktion der Größe führt. Beispiele für extensive
Größen sind Volumen, Masse oder Energie.
Intensive Größen sind unabhängig von der Menge der Systembestandteile. Verdoppelt oder halbiert
man ein System, so bleiben die intensiven Zustandsgrößen, die das System beschreiben, trotzdem
konstant. Beispiele für intensive Zustandsgrößen sind Druck und Temperatur sowie alle spezifischen
Größen.
Beispiel: Wenn zu 10 kg kaltem Wasser noch einmal 10 kg kaltes Wasser hinzugefügt werden, so
verdoppelt sich das Volumen des Wassers (extensiv), die Temperatur des Wassers ändert sich dadurch
jedoch nicht (intensiv).
Wärme und Temperatur
Phasenübergänge
Die Abhängigkeit der Temperatur eines Körpers von der zugeführten Wärme läßt sich für verschiedene
Körper messen. Aufgetragen in einem Q/T-Diagramm sieht man die Graden, also die konstanten
Temperaturen, bei denen die zugeführte Energie keine Temperaturerhöhung sondern eine Änderung
des Aggregatzustandes bewirkt. Diese Diagramme lassen sich für verschiedene Stoffe aufnehmen. Bei
dem Diagramm für Eis-Wasser-Dampf können die Fixpunkte der Celsius-Skala abgelesen werden.
Ausdehnung bei Erwärmung
Die meisten festen, flüssigen und gasförmigen Körper dehnen sich beim Erwärmen aus und ziehen sich
beim Abkühlen zusammen. Gase dehnen sich bei Erwärmung am meisten, feste Stoffe am wenigsten
aus.
Die Längenänderung
eines Festkörpers der Länge ist proportional zur Temperaturänderung
sowie zum (vom Material abhängigen) thermischen Längenausdehnungskoeffizient :
Für die neue Länge
der Temperaturänderung gilt damit:
nach
Ideale Gase
Defintion eines idealen Gases:
1. Als Modell für die betrachteten Gasteilchen (Atome, Moleküle) werden starre Kugeln gesehen, d.h
die Gasteilchen sollen nicht verformbar sein.
2. Die Zusammenstöße der Teilchen miteinander und mit der Wand sollen vollkommen elastisch sein,
d.h. es geht dabei keinerlei Energie verloren.
3. Der zur Verfügung stehende Raum soll unendlich groß sein, d.h. das Gas kann sich unendlich weit
ausdehnen.
4. Der Durchmesser der Teilchen soll unendlich klein sein, d.h. das Gas besteht aus Teilchen, deren
Durchmesser sehr klein ist im Gegensatz zu ihrem Abstand zueinander und im Verhältnis zu der
Raumgröße.
5. Die Teilchen haben keine Wechselwirkungen miteinander (keine Anziehung oder Abstoßung), das
heisst sie sind elektrisch absolut neutral (keine Dipole).
Zustandsänderungen
Aus der allgemeinen Zustandsgleichung für das ideale Gas kann man Gleichungen für den Fall
ableiten, dass eine der drei Größen konstant ist. Mit p = konstant ergeben sich Gleichungen für die
isobare Zustandsänderung, mit V = konstant für die isochore Zustandsänderung und mit T = konstant
für die isotherme Zustandsänderung. Die Gleichungen für diese speziellen Zustandsänderungen wurde
früher gefunden als der allgemeine Fall.
Durch die allgemeine Zustandsgleichung für das ideale Gas in der Form
wird der Zusammenhang zwischen Druck, Volumen und Temperatur angegeben.
Die isobare Zustandsänderung (I. Gesetz von GAY-LUSSAC)
Isobare Zustandsänderungen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Druck konstant ist. Aus der
allgemeinen Zustandsgleichung für das ideale Gas erhält man mit p = konstant:
Die Volumenänderung bei Temperaturänderung wird z.B. bei einem Gasthermometer genutzt (Bild 3).
In einem Glasröhrchen befindet sich ein Gas, im einfachsten Falle Luft. Das Gas ist durch einen
Quecksilbertropfen abgeschlossen. Der Quecksilbertropfen wirkt mit seiner Gewichtskraft auf das
eingeschlossene Gas. Dadurch besteht im Gas ein bestimmter, konstanter Druck.
Die isochore Zustandsänderung (II. Gesetz von GAY-LUSSAC)
Isochore Zustandsänderungen sind dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen konstant ist. Aus der
allgemeinen Zustandsgleichung für das ideale Gas erhält man mit V = konstant:
Beispiele sind Gasflaschen, Spraydosen oder PKW-Reifen, in denen sich eine abgeschlossene Menge
eines Gases befindet, das sich näherungsweise wie das ideale Gas verhält. Erhöht sich z. B. durch
Sonneneinstrahlung oder durch andere Einwirkungen die Temperatur, so erhöht sich auch der Druck im
Gas. Bei Gasflaschen und Spraydosen darf die Temperatur bestimmte Werte nicht übersteigen, weil
sonst wegen der Erhöhung des Druckes mit der Temperatur Explosionsgefahr besteht. So sollte bei
Spraydosen auf keinen Fall eine Temperatur von 50 °C überschritten werden. Wegen der
Explosionsgefahr ist das lebensgefährlich.
Die isotherme Zustandsänderung (Gesetz von BOYLE und MARIOTTE)
Isotherme Zustandsänderungen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur konstant ist. Aus der
allgemeinen Zustandsgleichung für das ideale Gas erhält man mit T = konstant:
Ein Beispiel dafür sind Pumpen (Luftpumpen, Pumpen für Sauerstoff in der Medizin). Bei
näherungsweise konstanter Temperatur wird das Volumen des Gases verringert. Dadurch erhöht sich
der Druck in ihm. Bei einem bestimmten höheren Druck strömt das Gas in den gewünschten Raum, z.
B. bei einer Luftpumpe in den Schlauch oder bei einer medizinischen Pumpe in die Lunge.
Die Wärmekapazität
Um die Temperatur eines Körpers zu erhöhen, muss seine innere Energie vergröß werden.
Verschiedene Stoffe lassen sich unterschiedlich leicht erwärmen.
Spezifische Wärmekapazitäten
Bei homogenen Systemen ist es häufig zweckmäßig, die Wärmekapazität auf die Masseneinheit zu
beziehen. Hier gilt folgender Zusammenhang:
https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/thermodynamische-systeme
http://www.thermo-bestehen.de/glos_prozess_zustand.html
http://web.physik.rwth-aachen.de/~fluegge/Vorlesung/PhysIpub/Exscript/10Kapitel/X3Kapitel.html
http://schulen.eduhi.at/riedgym/physik/10/waerme/temperatur/laengenaus.htm
https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/spezielle-zustandsaenderungen