Thermodynamik

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Die Thermodynamik, die auch als Wärmelehre bezeichnet wird, ist ein Teilgebiet der klassischen Physik. Sie ist die Lehre der Energie, ihrer Erscheinungsformen und Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.

Die Basis der Thermodynamik bilden vier Hauptsätze. Die Thermodynamik bringt Größen wie Energie, Wärme, geleistete Arbeit, Druck und Volumen miteinander in Zusammenhang. Sie erlaubt Aussagen darüber, welche Änderungen an einem System möglich sind, beispielsweise welche chemischen Reaktionen ablaufen können, erlaubt Angaben über die hierzu erforderlichen Druck- und Temperaturbedingungen. Sie macht aber keine Aussagen darüber, wie schnell die Prozesse ablaufen oder was dabei mikroskopisch im einzelnen geschieht.

Die Grundlagen der Thermodynamik wurden aus dem Studium der Volumen-, Druck-, Temperaturverhältnisse bei Dampfmaschinen entwickelt.

Man nennt Druck, Temperatur, Volumen, Konzentration oder auch chemische Zusammensetzung Zustandsgrößen. Zustandsgrößen sind durch eine Zustandsgleichung verknüpft (z. B. ideales und reales Gasgesetz). Es genügt die Kenntnis der thermodynamischen Zustandsgleichung, um aus einigen Zustandsgrößen (z. B. Druck, Volumen) andere Zustandsgrößen (z. B. Temperatur) berechnen zu können.

Ein chemischer Stoff kann in mehreren Phasen (gasförmig, flüssig, fest) vorliegen. Auch das Phasengleichgewicht lässt sich mit der Thermodynamik berechnen (Clausius-Clapeyronsche Gleichung). Man unterscheidet zwischen offenen und geschlossenen Systemen. Bei einem offenen System bezieht man die Umgebung ( z. B. bei Wärmeabstrahlung, Materieaustausch) auch noch mit ein. Einige Berechnungen beziehen sich auf abgeschlossene Systeme, hierbei findet kein Wärme- und Materieaustausch mit der Umgebung statt. Dabei bleibt nach dem Energieerhaltungssatz die Summe aller Energieformen (z. B. Wärme, mechanische Arbeit, chemische Energie, elektrische Energie) konstant.

Die Thermodynamik dient zur Berechnung von frei werdender Wärmeenergie, von Druck-, Temperatur-, Volumenänderungen, zur Berechnung von anteiligen Komponenten. Mitunter bedient man sich in der Thermodynamik der Aufstellung von chemischen Gleichgewichtsbedingungen, z.B. zur Bestimmung der Mischungszusammensetzung, von osmotischen Drucken, von Dampfdrucken, der Siedepunktserhöhung bzw. Schmelzpunkterniedrigung, von Phasengleichgewichten. Auch die Nernstgleichung, mit der sich elektromotorische Kräfte bei Elektrolyse oder Brennstoffzelle berechnen lassen, basiert auf thermodynamischen Beschreibungen.

Die Thermodynamik hat auch große Bedeutung für das Verständnis und die Planung von Prozessen in Chemieanlagen, bei Wärmekraftmaschinen, in der Heizungs- und Klimatechnik.

Dabei werden intensive Zustandsgrößen, beispielsweise Temperatur T, Druck p und chemisches Potenzial μ, von extensiven Zustandsgrößen, beispielsweise innerer Energie U, Entropie S, Volumen V und Teilchenzahl N, unterschieden. Die Arbeit W und die Wärme Q sind keine Zustandsgrößen, da sie nicht vom Zustand des Systems zu einem gegebenen Zeitpunkt, sondern von seiner gesamten Vorgeschichte abhängen.

Durch die statistische Mechanik nach James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann können viele Aspekte der Thermodynamik anhand mikroskopischer Theorien bestätigt werden. In ihrer gesamten Darstellung behält sie allerdings weiterhin den ausgezeichneten Status einer eigenständigen physikalischen Theorie. Ihre Anwendbarkeit muss jedoch auf geeignete Systeme eingeschränkt werden, nämlich solche, die sich aus genügend vielen Einzelsystemen, also meist Teilchen, zusammensetzen.

Weblinks

• Eberhard-Karl-Universität Tübingen – 2. Hauptsatz der Wärmelehre, Entropie, Zustandsgleichung realer Gase und Phasenumwandlungen, (Skripte zur Vorlesung Experimentalphysik I Nummer 12; 9-Seitiges PDF)
• RealVideo: Was ist Entropie? (aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)

• Ausführliches Skript zur Thermodynamik und statistischen Physik
• Erklärungen zu den Grundlagen der Thermodynamik (Text und Video)
• Die Hauptsätze der Thermodynamik
• Online-Repetitorium Thermodynamik – mit Videos – (Experimentalphysik) – Universität Würzburg
• Universität Duisburg-Essen, Grundlagen der Technischen Thermodynamik mit Übungsaufgaben und Lösungen
• E-Learning-Kurs zur Thermodynamik

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