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2010 | Buch

Thermodynamik

Von der Mikrophysik zur Makrophysik

verfasst von: Klaus Stierstadt

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe: Springer-Lehrbuch

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Über dieses Buch

Das Verständnis der Thermodynamik ist Voraussetzung für die moderne Physik, Chemie, Biologie und die heutige Technik sowie für das Energieproblem, dem sich die Menschheit gegenüber sieht.

Dieses Buch vermittelt eine Einführung in die Prinzipien, Methoden und Ergebnisse der Thermodynamik auf der Basis einer mikroskopischen Begründung: die Größen Temperatur, Wärme und Entropie werden auf die Eigenschaften der Atome und auf ihr Zusammenwirken zurückgeführt. Dabei wird der historische Hintergrund unserer Erkenntnis nicht aus den Augen gelassen.

Von den vielfältigen Anwendungen der Thermodynamik werden die wichtigsten ausführlich besprochen: die thermischen Eigenschaften der Materie, die Energieumwandlung, das Energieproblem und seine Nebenwirkungen, Wärmeisolation, Entropieproduktion, Nanotechnologie usw. Als Basis aller dieser Themen fungieren die vier Hauptsätze der Thermodynamik.

Ein thermodynamisches Energiefunktional dient als Grundlage für die Klassifikation der Response- und Transportkoeffizienten, deren Vielfalt in einem natürlich geordneten Schema verständlich und überschaubar wird.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen

Frontmatter
Kapitel 1. Einführung
Zusammenfassung
Zur Einführung in die Wärmelehre bzw. Thermodynamik wollen wir zunächst Sinn und Zweck dieses Teilgebiets der Physik kennen lernen. Es ist eines der wichtigsten, aber auch der schwierigsten. Die Bezeichnungen „Wärmelehre“ und „Thermodynamik“ verwenden wir manchmal synonym, auch wenn das Puristen etwas stören sollte. Historisch gesehen hat sich das Gebiet aus der Dampfmaschinentechnik entwickelt: „Thermodynamik“ steht für die „lebendige Kraft der Wärme“. Zunächst werden die beiden Hauptziele der Thermodynamik kurz erläutert: einerseits die Möglichkeiten und Grenzen der Energieumwandlung zu erklären und andererseits die Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften der Materie. Beide Bereiche werden später ausführlich in den Teilen II und III dieses Buches behandelt.
Klaus Stierstadt
Kapitel 2. Was ist Temperatur?
Zusammenfassung
Im vorigen Kapitel sind wir mit der Temperatur gut zurecht gekommen ohne ganz genau zu wissen, was sie ist. Trotzdem wäre es besser, das zu verstehen und das wollen wir nachholen. Die thermodynamischen Größen – Temperatur, Wärme und Entropie – müssen zunächst auf die Eigenschaften der Atome und ihrer Wechselwirkung zurückgeführt werden. Nur so gewinnt man ein tieferes Verständnis für diese Größen und auch dafür, warum sie für ein einzelnes Atom keinen Sinn ergeben.
Klaus Stierstadt
Kapitel 3. Zwei interessante Modellsysteme: Idealer Paramagnet und idealer Kristall
Zusammenfassung
Im vorigen Kapitel hatten wir die Zustandsfunktion \(\varOmega(U)\) für ein ideales Gas berechnet. Nur für ein solches Gas konnten wir daher die statistische Temperaturdefinition (2.8) mit (2.16), \(T=(1/k)(\partial \ln\varOmega/ \partial U)^{-1}\), durch Vergleich mit der Erfahrung verifizieren. Dabei zeigte sich, dass die Temperatur proportional zur gesamten inneren Energie U der Moleküle ist. Beim idealen Gas besteht U allerdings nur aus kinetischer Energie, und dann erhalten wir die Beziehung (2.34a), \(T=2U/(3Nk)\). Eine so einfache Beziehung gilt nicht allgemein. Bei anderen Stoffen als idealen Gasen ist der Zusammenhang zwischen T und U ein anderer. Beim idealen Gas könnte es ja vielleicht Zufall gewesen sein, dass Boltzmanns Vermutung (2.8) stimmt.
Klaus Stierstadt
Kapitel 4. Erster Hauptsatz der Thermodynamik, Wärme und Arbeit
Zusammenfassung
In den vorangegangenen beiden Kapiteln haben wir die Temperatur eines Körpers auf die Eigenschaften seiner Bestandteile zurückgeführt und haben gezeigt, wie man sie aus diesen berechnen kann. Von den Eigenschaften der Teilchen haben wir dabei Masse und kinetische Energie von Gasatomen verwendet, die Schwingungsenergie von Festkörpern sowie die magnetische Energie von elementaren Dipolen. Nun wollen wir in ähnlicher Weise die thermodynamischen Größen Wärme und Arbeit untersuchen. Wir werden sehen, dass man auch diese auf die Zustandszahl Ω eines Systems vieler Teilchen zurückführen kann, das heißt, auf die Anzahl der Möglichkeiten, eine gegebene Energiemenge auf die Bestandteile des Körpers bzw. auf deren Freiheitsgrade zu verteilen.
Klaus Stierstadt
Kapitel 5. Die Entropie
Zusammenfassung
Die Entropie ist wohl mit Abstand der am meisten missdeutete und am wenigsten verstandene physikalische Begriff. Das ist so, weil sie im Alltag und in unserer, von Kindheit her angesammelten, Erfahrung nicht direkt vorkommt. Trotzdem ist sie diejenige fundamentale Größe, die alle Prozesse in Natur und Technik reguliert. Die Entropie bestimmt, welche mit den physikalischen Grundgesetzen verträglichen Vorgänge unter gegebenen Bedingungen ablaufen können, und welche nicht. Das ist von großer Wichtigkeit für die Methoden der Energieumwandlung, die wir im 7. Kapitel besprechen werden. Diese Methoden unterliegen alle den beiden Bedingungen, die Clausius einmal so treffend formuliert hat: „Die Energie der Welt ist konstant. Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu.“ Natürlich muss man diese Aussagen bezüglich der „Welt“ unter den heutigen kosmologischen Gesichtspunkten betrachten, wobei ihre Absolutheit in Frage gestellt werden sollte. Aber nach aller bisherigen Erfahrung kann man davon ausgehen, dass sie gültig sind, wenn man die „Welt“ als einen endlichen, abgeschlossenen Teil des Universums versteht.
Klaus Stierstadt
Kapitel 6. Wechselwirkung zwischen Systemen und Boltzmann–Verteilung
Zusammenfassung
In den vorangehenden Kapiteln hatten wir fast immer nur abgeschlossene Systeme betrachtet. Das sind solche, durch deren Wände nichts hindurchgehen kann, weder Teilchen, noch Energie noch Strahlung in irgendeiner Form. Abgeschlossene Systeme in diesem strengen Sinne gibt es aber in Wirklichkeit gar nicht. Sie sind eine Idealisierung, denn jedes denkbare System steht mit dem ganzen Universum zumindest über die Gravitations–Wechselwirkung in Verbindung.
Klaus Stierstadt

Energieumwandlung

Frontmatter
Kapitel 7. Geräte und Maschinen zur Energieumwandlung
Zusammenfassung
Nach sechs Kapiteln mehr oder weniger theoretischer Betrachtungen kommen wir nun im zweiten Teil des Buches zu den praktischen Anwendungen der Thermodynamik. Alle Vorgänge in Natur und Technik sind in irgendeiner Weise mit der Umwandlung von Energie verknüpft, nämlich der Umwandlung von einer ihrer Erscheinungsformen in eine andere. Energie kann ja weder erzeugt noch vernichtet werden („Erhaltungssatz”) aber sie kann in den verschiedensten Formen existieren: als kinetische oder potenzielle Energie von Teilchen, als Strahlungsenergie des elektromagnetischen Feldes, als Gravitationsenergie, als chemische, innere oder Kernenergie usw. Die Umwandelbarkeit der Energie von einer dieser Erscheinungsformen in andere ist ihre charakteristische Eigenschaft. Ja sie kann geradezu als Definition der physikalischen Größe Energie angesehen werden.
Klaus Stierstadt
Kapitel 8. Das Energieproblem
Zusammenfassung
Im vorigen Kapitel haben wir verschiedene Methoden und Geräte kennengelernt, mit denen Energie von einer ihrer Erscheinungsformen in eine andere umgewandelt werden kann. Auf diesen und ähnlichen Methoden beruht unsere gesamte moderne Technik. Das sogenannte Energieproblem besteht nun darin, an jedem Ort und zu jeder Zeit die gerade benötigte Energieform in ausreichender Menge und zu einem angemessenen Preis zur Verfügung zu stellen. Dieses Problem ist prinzipiell lösbar, denn Energie haben wir mehr als genug – aber nicht immer zu den genannten Bedingungen. Wir verfügen nicht überall und immer zu einem erschwinglichen Preis über die gewünschte Form von Energie.
Klaus Stierstadt

Thermische Eigenschaften der Stoffe

Frontmatter
Kapitel 9. Phasen und Gleichgewichtseigenschaften reiner Stoffe
Zusammenfassung
In diesem Kapitel nehmen wir Abschied von unseren Idealmodellen für Gas, Magnete und Kristalle. Wir besprechen jetzt die Eigenschaften realer Substanzen, insbesondere ihre Temperaturabhängigkeit. Dabei beschränken wir uns auf reine bzw. einkomponentige Stoffe. Das sind solche, die nur aus einer Atom- oder Molekülsorte bestehen. Bevor wir die Eigenschaften dieser Stoffe behandeln, müssen wir uns einen Überblick über deren Erscheinungsformen verschaffen, ihre Aggregatzustände bzw. Phasen, und über die Existenzbereiche derselben. Das geschieht im ersten Abschnitt dieses Kapitels.
Klaus Stierstadt
Kapitel 10. Transportprozesse
Zusammenfassung
Alle beobachtbaren Vorgänge beruhen auf Veränderungen im Raum und in der Zeit. Der für uns sichtbare Teil des Universums befindet sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht. Man nimmt an, dass er einem Gleichgewichtszustand zustrebt, und dass dabei seine Entropie zunehmen sollte. Das geschieht durch Transport von Energie, Impuls, elektrischer Ladung usw. Alle Aussagen über das Universum als physikalisches Objekt sind allerdings hypothetischer Natur, denn wir können sie nur aus Beobachtungen im Inneren eines kleinen Teils davon gewinnen. Viel Konkreteres lässt sich dagegen über Transportvorgänge in der uns näher umgebenden Natur und in der Technik sagen. Solche Transportprozesse sind allgegenwärtig: In der unbelebten Natur sind es unter anderem das Wettergeschehen, Meeresströmungen die Bewegungen der Materie im Inneren von Planeten, Sternen und Galaxien. In der belebten Natur sind es die Kreisläufe von Blut und anderen Körperflüssigkeiten in Tieren und Pflanzen, der Stoffwechsel, die Reproduktion usw. In der Technik haben wir es mit Wasser-, Öl- und Gasleitungen zu tun, vor allem auch mit elektrischen Strömen, mit der Heizung und Kühlung von Geräten und Gebäuden, mit zahlreichen Prozessen in Energietechnik und in der chemischen Verfahrenstechnik sowie mit Verkehr und Kommunikation.
Klaus Stierstadt
Kapitel 11. Systeme wechselwirkender Teilchen*
Zusammenfassung
Im ersten Teil dieses Buches, in den Kap. 1 bis 6 hatten wir die atomistischen Grundlagen der Thermodynamik behandelt. Damit konnten wir ihre zentralen Begriffe, Temperatur, Wärme und Entropie, anhand sehr einfacher Modelle der Materie verstehen: dem idealen Gas, dem idealen Paramagnet und dem idealen Kristall. Wir haben auch gesehen, dass es äußerst schwierig ist, das thermodynamische Verhalten realer Stoffe auf mikroskopischer Basis quantitativ zu behandeln. Im zweiten und dritten Teil dieses Buches, in den Kap. 7 bis 10, haben wir dann in zunehmendem Maße auch Eigenschaften realer Stoffe betrachtet. Weil deren atomistische Behandlung aber so schwierig ist, haben wir uns dabei meist mit phänomenologischen Beschreibungen von Messergebnissen begnügt. Aber auch hierbei leistet die Thermodynamik nützliche Dienste, zum Beispiel bei der Wirkungsweise von Energieumwandlungsmaschinen (Kap. 7) oder beim Zusammenhang verschiedener Stoffeigenschaften und bei Transportvorgängen (Kap. 9 u. 10). Allerdings bleibt es unbefriedigend, wenn man das makroskopische Verhalten von Stoffen und Prozessen nicht aus mikroskopischen Gesetzmäßigkeiten herleiten und verstehen kann; das heißt aus den Eigenschaften der Atome bzw. Moleküle und der zwischen ihnen wirkenden Kräfte.
Klaus Stierstadt

Ergänzungen

Frontmatter
Kapitel 12. Thermodynamische Potenziale
Zusammenfassung
Thermodynamische Potenziale sind Kombinationen von Zustandsgrößen, die sich durch die Wahl der jeweils abhängigen und unabhängigen Variablen voneinander unterscheiden. Ein solches Potenzial ist eine Funktion, die aus einer Summe verschiedener Energiebeiträge besteht. Davon zu unterscheiden ist das chemische Potenzial, das aber nur teilweise etwas mit Chemie zu tun hat. Es ist die zur Zahl der Teilchen eines Systems konjugierte Intensivgröße.
Klaus Stierstadt
Kapitel 13. Schwankungserscheinungen
Zusammenfassung
Alle Bestandteile der Materie, Elementarteilchen, Atome, Moleküle, sind in ständiger Bewegung. Aber weil sie so klein sind, sehen wir davon mit unseren bloßen Augen nichts. Mit Mikroskopen jeglicher Art können wir diese Bewegungen jedoch nachweisen. Davon soll in diesem letzten Kapitel des Buches die Rede sein. Die Thermodynamik spielt hierbei eine wesentliche Rolle, denn die Bewegungsenergie der Atome wächst, wie wir gelernt haben, mit zunehmender Temperatur. Und ebenso wächst die Zahl der möglichen Energiezustände. Infolge der permanenten Bewegung der Atome schwanken die extensiven Größen eines kleinen Systems, das im Austausch mit einem größeren steht, um bestimmte Mittelwerte: die Energie, der Impuls, die elektrische Ladung, die Dichte, die Magnetisierung usw.
Klaus Stierstadt
Backmatter
Metadaten
Titel
Thermodynamik
verfasst von
Klaus Stierstadt
Copyright-Jahr
2010
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-05098-5
Print ISBN
978-3-642-05097-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-05098-5

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