Die Thermodynamik, auch Wärmelehre genannt, ist ein Teilgebiet der klassischen Physik und beschäftigt sich mit Energie in verschiedener Form, ihrer Umwandlung und der Temperatur von Körpern.
Schon immer spielte Wärme für die Menschheit eine sehr große Rolle, nicht zuletzt zeigt sich dies durch die Entwicklung der Dampfmaschinen, die als Meilenstein der Industrialisierung angesehen werden kann.
Während die Thermodynamik zur Zeit der Industrialisierung für die Entwicklung von Dampfmaschinen und ähnlichen Geräten genutzt wurde, nutzt man thermodynamische Erkenntnisse heute zur Verbesserung der Wärmedämmung von Häusern oder der Optimierung von Verbrennungsmotoren.
Die Wärmelehre geht als Teilgebiet der Frage nach, wie durch die Umwandlung von Energieformen Arbeit geleistet werden kann. Im Fokus stehen Aggregatzustände, Energieumwandlung und Wärmeübertragung.
In diesem Artikel stellen wir euch eine geschichtliche Übersicht über die Disziplin vor, erklären euch, was die Hauptsätze der Thermodynamik besagen und verraten euch, was es mit einem thermodynamischen System auf sich hat.
Eine kurze Geschichte der Thermodynamik
Der physikalischer Bereich befasst sich mit Wärmekraftmaschinen wie Verbrennungsmotoren, Turbinen oder Dampfmaschinen. Aber schon vor der industriellen Revolution beschäftigten sich Forscher mit der Frage thermodynamischer Prozesse.
Bereits im 17. Jahrhundert wurde das Thermometer erfunden, auch wenn nicht klar ist, von wem genau eigentlich. Aber die Erfindung ermöglichte es, eine Temperatur genau zu messen, der Grundstein für die Wärmelehre war gelegt.
Daraufhin beschäftigten sich Wissenschaftler mit der Suche nach einer einheitlichen Verwendung des Thermometers und entwickelten dazu Temperaturskalen. Gabriel Fahrenheit, Anders Celsius und Lord Kelvin führten im Laufe des 18. Jahrhunderts unterschiedliche Temperaturskalen ein, die noch heute weltweit genutzt werden.
Zeitgleich führten Wissenschaftler wie Robert Boyle, Edmé Mariotte und Lois Gay-Lussac Experimente durch, aus denen sie Gesetze über das Verhalten von Gas ableiteten. Die Experimente beschäftigten sich mit dem Zusammenhang von Druck, Temperatur und Volumen eines Gases.
Wie wäre es mit Physik Nachhilfe?
Aus den Erkenntnissen der Wissenschaftler wurde später die ideale Gasgleichung abgeleitet.
Im 19. Jahrhundert erlebte die Thermodynamik dann ihren Höhepunkt, als der französische Ingenieur und Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot anfing, sich mit Wärmekraftmaschinen zu beschäftigen. Carnot stellte fest, dass durch heißen Wasserdampf ein kälteres Wasserreservoir erwärmt und dabei mechanische Arbeit geleistet werden kann.
Zu dieser Zeit setzte sich die Erkenntnis durch, dass Materie aus Teilchen aufgebaut ist, womit sich die Atomphysik beschäftigt.
Der Wissenschaftler Rudolf Clausius verstand Wärme als Bewegung kleinster Teilchen und leistete entscheidende Beiträge zur Entwicklung der Thermodynamik, indem er das Gesetz von der Erhaltung der Energie zum 2. Hauptsatz umformulierte und die Entropie als Einheit einführte.
Gemeinsam mit James Clerk Maxwell, Lord Kelvin und Ludwig Boltzmann entwickelte Clausius die sogenannte „kinetische Gastheorie“, die als Grundlage für den 1. Hauptsatz zur Energieerhaltung anzusehen ist. Die Theorie besagte, dass Gase aus sich im Raum frei bewegenden Teilchen und Atomen bestehen.
Mithilfe von Wahrscheinlichkeitsrechnung beschrieben Maxwell und Boltzmann thermodynamische Größen auf molekularer Basis. Aus diesen Untersuchungen entstand die Maxwell’sche Geschwindigkeitsverteilung sowie die Boltzmannkonstante.
Diese Konstante spielt nicht nur in der Wärmelehre sondern auch in der physikalischen Mechanik eine große Rolle.
Diese Teilbereiche sind in der Thermodynamik wichtig
Die Wärmelehre befasst sich mit Prozessen, an denen Wärme beteiligt ist. Dabei gibt es verschiedene wichtige thermische Zustandsgrößen, um den Zustand eines thermodynamischen Systems zu beschreiben: innere Energie, Volumen, Entropie, Druck, Temperatur oder Teilchenzahl.
Als Disziplin lässt sich Wärmelehre in einige spezifische Teilbereiche einteilen:
- Wärmekapazität: die innere Energie eines Körpers kann durch Verrichtung von Arbeit oder durch Wärmeübertragung verändert werden. Die Wärmekapazität befasst sich genau mit diesem Phänomen und untersucht die Phasenübergänge zwischen verschiedenen Zuständen.
- Wärmequellen: Thema in diesem Bereich sind Wärmequellen und ihre thermische Leistung. Als Wärmequelle werden technische Geräte und natürliche Objekte, wie die Sonne, bezeichnet, die Wärme an ihre Umgebung abgeben.
- Ausbreitung von Wärme: Wärmetransport kann in Form von Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Wärmemitführung für eine Übertragung von Energie sorgen.
- Volumenänderung: bei Temperaturänderung kommt es zu einer Volumenänderung von Körpern.
- Ausdehnung bei Erwärmung: die meisten Körper dehnen sich aus, wenn sie erwärmt werden. Diese Ausdehnung ist unterschiedlich stark und Gase dehnen sich bei Erwärmung am meisten aus, während die Ausdehnung bei festen Stoffe am geringsten ist.
Auch Elektrizität in der Physik lässt sich in Wärme umwandeln, die dann an die Umgebung abgegeben werden kann.
Thermodynamische Systeme verstehen
Thermische Prozesse laufen in Körpern wie Gase und Flüssigkeiten ab, die dann als thermodynamisches System bezeichnet werden. Zustandsgrößen wie Volumen, Druck, Entropie, innere Energie oder Temperatur werden verwendet, um den Zustand des Systems zu beschreiben.
Um die Energie eines thermodynamischen Systems zu bemessen, wird die Enthalpie als Maß verwendet. Als Zustandsgröße beschreibt die Enthalpie, wie viel Energie sich in einem System befindet. Innerhalb der Systeme kann es zu Zustandsänderungen kommen.
Dabei wird zwischen drei Formen der Systeme unterschieden: geschlossen, isoliert und offen. Sie stehen jeweils mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung, sei es durch einen Energieaustausch oder Stoffaustausch.
Ein geschlossenes System ist materieundurchlässig, ermöglicht aber einen Energieaustausch. Ein praktische Beispiel wäre hier eine verschlossene Wasserflasche, dessen Temperatur man zwar verändern kann, deren Inhalt dabei aber gleich bleibt.
Das offene System dagegen lässt sowohl Energie- als auch Stoffaustausch zu. Um bei unserem Beispiel zu bleiben, stellt eine geöffnete Wasserflasche ein solches offenes System dar.
Ein isoliertes thermodynamisches System ist schließlich ein System, in dem weder Wärmeaustausch noch Austausch der Materie stattfindet. Ein Beispiel hierfür wäre eine Thermoskanne, die den Inhalt isoliert und so einen Wärmeaustausch verhindert.
Zustandsänderungen in einem System kann zur Wärmeübertragung führen und Arbeit kann verrichtet werden.
Die Verrichtung von Arbeit durch Wärmeerzeugung spielt auch bei der Forschung in der Astrophysik eine Rolle, denn so steigen Raketen ins Weltall.
Die Hauptsätze der Thermodynamik
Zu den wichtigsten Grundlagen der Disziplin zählen die vier thermodynamischen Hauptsätze, die im Laufe der Jahre formuliert wurden.
Auch wenn der Nullte Hauptsatz erst nach den anderen entdeckt wurde, wird er wegen seiner grundlegenden Bedeutung als erstes genannt.
Der Nullte Hauptsatz besagt folgendes:
„Zwei Teilsysteme mit verschiedenen Temperaturen, die im Wärmekontakt stehen, streben einen Zustand von Gleichgewicht an.“
Daher nennt man diese Aussage des Nullten Hauptsatzes auch Gesetz des thermischen Gleichgewichts.
Zwei Körper, die sich berühren tauschen also ständig Wärme aus, wobei immer mehr Energie vom wärmeren zum kälteren Körper fließt. Das passiert so lange, bis ein Gleichgewicht erreicht ist.
Während es hier um den Energiefluss geht, beschäftigt sich die physikalische Optik mit dem Verlauf von Lichtstrahlen.
Der 1. thermodynamische Hauptsatz ist ein Energieerhaltungssatz, der sich ähnlich wie die Suche nach einem Perpetuum Mobile, damit beschäftigt, dass es nicht möglich ist, Maschinen zu entwickelt, die mehr Energie liefern, als man dem System zuführt.
„In einem geschlossenen System die ist die Änderung der inneren Energie des Systems gleich der Wärme und Arbeit, die mit der Umgebung ausgetauscht wurde.“
Verändert sich die innere Energie eines geschlossenen Systems, dann entspricht also gemäß des 1. Hauptsatzes die Änderung der Summe von Wärmeänderung sowie Arbeitsänderung, sie ist also konstant.
Beim 2. thermodynamischen Hauptsatz wird ebenfalls eine Funktion über den Zustand beschrieben, genau genommen die Richtung der Energieumwandlung. Gemäß des 2. Hauptsatzes kann mechanische Arbeit vollständig in Wärme umgewandelt werden, aber umgekehrt wird nur ein Teil der Energie umgewandelt, da immer Verluste bei der Wärmeumwandlung entstehen.
Der 3. Hauptsatz schließlich befasst sich mit der Entropie in der Nähe des absoluten Nullpunktes. Am absoluten Nullpunkt können die Entropien keine Teilchen mehr schwingen und somit keine Entropieänderung hervorrufen.
Daraus lässt sich der 3. Hauptsatz ableiten:
„Es ist unmöglich, die Temperatur in einem System auf den absoluten Nullpunkt von 0 Kelvin herunter zu kühlen.“
Die thermodynamischen Hauptsätze spielen eine große Rolle in der Erklärung der Physik!
Anwendungsbereiche der Wärmelehre
Die Wärmelehre ist eine Disziplin mit vielen Schnittmengen zwischen Physik und Chemie. Die chemische Thermodynamik unterscheidet sich von der statistischen und technischen thermodynamischen Disziplin ebenso wie von der biologischen.
Der Wissenschaftszweig in der Chemie befasst sich mit der Verwendung der Wärmekapazität innerhalb der chemischen Produktion von Kraftstoffen, Batterien, Sprengstoffen oder Reinigungsmitteln. Ein thermodynamischer Prozess in der Chemie wird zur Herstellung vieler Güter genutzt.
Die statistische Wärmelehre dagegen wird als Verbindung zwischen der Mechanik und der Thermodynamik makroskopischer Systeme verwendet.
Wer sich für die Prozesse rund um Temperaturausdehnung und Änderung vom Zustand interessiert, der hat verschiedene Berufsmöglichkeiten. Schon mal an Online Physik Nachhilfe gedacht:
- Ingenieur in der Verfahrenstechnik
- Entwicklungsingenieur
- Kältetechniker
- Energietechnik
- Umwelttechnik
- Bioverfahrenstechnik in der Landwirtschaft
- Kunststofftechnik
- Werkstofftechnik
Um eine Zustandsgröße erklären zu können oder eine Aussage über eine thermodynamische Reaktion treffen zu können, kann man über ein Studium in dem Bereich nachdenken. Hier steht vor allem der Studiengang Maschinenbau im Fokus, da man sich hier auf Thermodynamik spezialisieren kann.
Wer sich einfach so für das Thema interessiert, der kann online viele Videos zu den einzelnen Teilgebieten anschauen und auch das ein oder andere gute Buch finden. Ob „Technische Thermodynamik“ von Günter Cerbe oder „Keine Panik vor Thermodynamik“ von Dirk Labuhn, es finden sich zahlreiche gute Lehrbücher zu diesem Thema.
Die Wärmelehre gehört zu einem Teilgebiet der Physik, bei dem es viele Überlappungen in andere Disziplinen gibt.
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