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- Herausgeber: Wiley-VCH
- Kategorie: Fachliteratur
- Serie: Wiley Schnellkurs
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2015
Müssen Sie sich schnell ein solides Grundwissen in Thermodynamik aneignen? Dann ist dies genau das richtige Buch für Sie. Wilhelm Kulisch erklärt Ihnen die mathematischen Grundlagen, die Sie für die Thermodynamik brauchen, Zustandsgrößen, -änderungen und -gleichungen sowie die Hauptsätze der Thermodynamik und vieles mehr. Ein Eingangstest soll Ihnen dabei helfen, Ihre individuellen Schwächen aufzudecken, um sie dann gezielt beheben zu können. Mit zahlreichen Beispielen und Übungsaufgaben können Sie Ihr neu erworbenes Wissen dann festigen und überprüfen. Dabei kommt der Autor so schnell wie möglich auf den Punkt und erklärt dieses manchmal etwas sperrige Thema so verständlich wie möglich.
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Seitenzahl: 245
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Eingangstest
Zum Einstieg können Sie mit diesen Aufgaben testen, wo Sie in der Thermodynamik noch Lücken haben, die Sie schließen sollten. Dabei steht jede Aufgabe für ein Kapitel im Buch. Sollten Sie feststellen, dass Sie eine Aufgabe nicht lösen können, ist es vielleicht schlau, zuerst dieses Kapitel durchzuarbeiten, wenn Sie nur noch wenig Zeit haben.
Aufgabe zu Kapitel 2
Berechnen Sie die folgenden Ableitungen bzw. Integrale:
Aufgabe zu Kapitel 3
Die Wärme eines Körpers ist ein Maß für die Bewegungen, die die den Körper bildenden Teilchen ausführen. Welche Bewegungsmöglichkeiten gibt es für die Teilchen in den drei Aggregatzuständen?
Alle Materialien sind durch drei thermodynamische Materialkonstanten gekennzeichnet, den linearen Ausdehnungskoeffizienten, die spezifische Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit. Erläutern Sie auf der Basis der Vorstellung, dass Wärme durch Bewegung hervorgerufen wird, die Wärmeausdehnung, die Wärmespeicherung und die Wärmeleitung.
Aufgabe zu Kapitel 4
Ordnen Sie die folgenden thermodynamischen Größen den Begriffen extensive Zustandsgröße, intensive Zustandsgröße und Prozessgröße zu: Druck, Volumen, Temperatur, Arbeit, innere Energie, Entropie, Wärmemenge.Erläutern Sie Ihre Zuordnung im Fall des Drucks, der inneren Energie und der Arbeit.
Sowohl der Druck als auch die Temperatur sind Maße für die in einem System stattfindenden Bewegungen. Worin unterscheiden sie sich?
Aufgabe zu Kapitel 5
Was ist eine polytrope Zustandsänderung? Was ist der Polytropenexponent? Wie lautet der Polytropenexponent im Fall von isothermen, isochoren, isobaren und adiabatischen Zustandsänderungen?
Aufgabe zu Kapitel 6
Abbildung 1: Das Guggenheim‐Quadrat
Abbildung 1 zeigt das sogenannte Guggenheim‐Quadrat. Leiten Sie daraus die beiden unabhängigen (natürlichen) Variablen der vier thermodynamischen Potentiale innere Energie U, Enthalpie H, freie Energie F und freie Enthalpie G ab.
Wie lautet die Einheit der thermodynamischen Potentiale? Geben Sie für die Enthalpie H das vollständige Differential an.
Aufgabe zu Kapitel 7
Wie lautet das ideale Gasgesetz? Erläutern Sie die darin auftauchenden Größen.
Auf welchen Näherungen beruht das ideale Gasgesetz?
Wie lautet die Van‐der‐Waals‐Gleichung, die diese Näherungen korrigiert?
Ist die Van‐der‐Waals‐Gleichung exakt oder wieder nur eine Näherung?
Aufgabe zu Kapitel 8
CO2 ist ein lineares dreiatomiges Molekül. Wie viele Freiheitsgrade besitzt ein Kohlendioxidmolekül? Wie sehen diese Freiheitsgrade aus? Wie groß ist der Isentropenexponent? Wie groß ist die innere Energie eines Mols CO2?
Aufgabe zu Kapitel 9
Erklären Sie den Unterschied zwischen einem thermischen und einem thermodynamischen Gleichgewicht.
Aufgabe zu Kapitel 10
Wie lautet der erste Hauptsatz der Thermodynamik?
Wie ändert sich die innere Energie bei einem isobaren Prozess?
Wie ändert sie sich bei einem adiabatischen Prozess?
Aufgabe zu Kapitel 11
Bei den meisten physikalischen Prozessen spielt die Richtung der Zeitachse keine Rolle. Wenn man die Zeitachse umdreht, verlaufen die Prozesse umgekehrt. In der Thermodynamik ist dies nicht unbedingt der Fall. Es gibt durchaus Prozesse, die nur in eine Zeitrichtung verlaufen können. Wie nennt man derartige Prozesse? Nennen Sie einige Beispiele. Worauf beruht die Vorzugsrichtung der Zeit?
Aufgabe zu Kapitel 12
Schlagen Sie eine Methode vor, mit der der absolute Nullpunkt der Temperatur erreicht werden kann. Lassen Sie dabei Ihrer Phantasie freien Lauf. Inwieweit Ihre Methode technisch realisiert werden kann, spielt keine Rolle.
Aufgabe zu Kapitel 13
Erläutern Sie den Unterschied zwischen einer Wärmekraftmaschine, einer Wärmepumpe und einer Kältemaschine.
Aufgabe zu Kapitel 14
Worin unterscheiden sich der Ottomotor und der Dieselmotor in ihrer Funktionsweise? Worin unterscheiden sich der Ottoprozess und der Dieselprozess thermodynamisch? Welcher der beiden Prozesse hat im Idealfall den größeren Wirkungsgrad?
Aufgabe zu Kapitel 15
Eine Wasseroberfläche besitzt eine Temperatur von 50 °C. Sie bewerkstelligen es im Labor, dass sich oberhalb der Oberfläche des Wassers in einer Anordnung Vakuum, in einer zweiten Luft und in einer dritten ein NH3‐CH4‐Gemisch befindet. Ordnen Sie diese Systeme in der Reihenfolge aufsteigender Wasserdampfdrücke. Wie groß ist der Druck im Fall der Luft? Schätzen Sie ihn für die anderen drei Fälle ab.
Aufgabe zu Kapitel 16
Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, alle sechs Zahlen beim Lotto richtig zu tippen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, den Hauptgewinn zu erzielen (also inklusive Superzahl)?
Aufgabe zu Kapitel 17
Wie lautet die Definition der Entropie im Rahmen der statischen Thermodynamik? Wie lautet die entsprechende Definition der Temperatur?
Wilhelm Kulisch
Wiley Schnellkurs Thermodynamik
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d‐nb.de abrufbar.
1. Auflage 2015
© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form.
Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form.
Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autor und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.
Umschlaggestaltung: Torge Stoffers Graphik‐Design, Leipzig
Korrektur: Bernhard Gerl und Marianne Hammer‐Altmann
Satz: Beltz Bad Langensalza GmbH, Bad Langensalza
Print ISBN: 978‐3‐527‐53010‐6
ePub ISBN: 978‐3‐527‐69326‐9
mobi ISBN: 978‐3‐527‐69327‐6
Einleitung
Über dieses Buch
Dieses Buch bietet einen Schnellkurs der Thermodynamik. Es wurde weniger für Physikstudenten geschrieben, sondern für Studenten, die die Thermodynamik im Nebenfach hören. Es ist so ausgelegt, dass Sie alle Themen, die Sie als Nebenfachstudent für eine Prüfung oder eine Klausur benötigen, in relativ kurzer Zeit lernen können, um sich darauf vorzubereiten.
Die Thermodynamik ist ein weites Feld. Bei der Zusammenstellung des Stoffs habe ich versucht, die Themen zu wählen, mit denen es Nebenfachstudenten der Thermodynamik üblicherweise zu tun haben. Um Ihnen (und mir) das Leben leichter zu machen, habe ich auf eine vollständige physikalische Darstellung der Thermodynamik mit ihrem manchmal sehr mathematischen Formalismus verzichtet. Er würde zudem den Rahmen dieses Buchs sprengen. Eines sollten Sie beim Lesen und Bearbeiten des Buchs noch berücksichtigen: Es handelt sich um einen Schnellkurs. Er verzichtet weitgehend auf Herleitungen und stellt zumeist nur die wichtigsten Begriffe, Definitionen und Gesetzmäßigkeiten vor.
Zielgruppe dieses Buchs
Dieses Buch richtet sich an Leser, die im Rahmen ihrer Ausbildung bzw. ihres Studiums Vorlesungen über Thermodynamik hören müssen und auch Klausuren oder Prüfungen in der Thermodynamik bestehen müssen, aber nicht unbedingt an Studenten der Physik. In diesem Fall ist eine wesentlich umfangreichere, komplexere Darstellung erforderlich.
Die Voraussetzungen
Beim Schreiben dieses Buchs bin ich davon ausgegangen, dass Sie als Nebenfachstudent zumindest eine Zwei‐SWS‐Vorlesung zur Thermodynamik hören. Vielleicht interessiert Sie die Thermodynamik nicht einmal besonders, aber Sie haben eine Prüfung oder Klausur vor sich und müssen jetzt da durch.
Wie bei jeder Naturwissenschaft ist auch in der Thermodynamik die Mathematik unumgänglich. In Kapitel 2 wird kurz auf die Differentialrechnung eingegangen, die in der Thermodynamik eine besonders große Rolle spielt; sonst sollten sie mit Gleichungen arbeiten, sie umstellen und auflösen können.
Aufbau des Buchs
Es ist mir bewusst, dass die Thermodynamik sowohl bei Physikstudenten als auch bei Studenten, die die Thermodynamik als Nebenfach hören müssen, nicht sonderlich beliebt ist. Sie gilt als trocken, nicht sehr anschaulich und sehr theoretisch. Ich habe mich bemüht, die Darstellung in diesem Buch so spannend wie möglich zu halten, aber es gibt auch eher theoretische Passagen, die Sie und ich gemeinsam bewältigen müssen.
Dieses Buch besteht aus sechs Teilen, die insgesamt 17 Kapitel enthalten. Es ist, wie jeder Schnellkurs des Wiley‐Verlags, modular aufgebaut. Die einzelnen Teile sind also unabhängig voneinander; im Prinzip können sie in beliebiger Reihenfolge gelesen werden. Allerdings ist die Thermodynamik sehr komplex. Daher ist es ratsam, falls Sie mit den grundlegenden Begriffen und Definitionen der Thermodynamik nicht sehr vertraut sind, sich zunächst Teil II vorzunehmen; danach haben Sie allerdings die freie Wahl.
Am Anfang des Buchs gibt es einen Eingangstest, in dem zu jedem Kapitel eine Aufgabe gestellt wird. Sie sollten sich zunächst diesen Test vornehmen. Das Ergebnis dieses Tests sollte dann die Reihenfolge festlegen, in der Sie dieses Buch angehen (falls Sie es nicht vorziehen, sich von vorne nach hinten durchzuarbeiten).
Wenn sich beim Test beispielsweise herausstellt, dass Sie die Themen der ersten Kapitel beherrschen, können Sie ihre Schwerpunkte durchaus auf die weiteren Kapitel des Buchs legen. Der ausführliche Index und vor allem auch das Glossar werden Ihnen dabei sicherlich hilfreich sein.
Zudem finden Sie in jedem Kapitel (neben zahlreichen Beispielen) auch Aufgaben, mit deren Hilfe Sie überprüfen können, ob Sie den Stoff des jeweiligen Kapitels beherrschen. Die Lösungen der Aufgaben finden Sie am Ende des Buchs.
Inhalt des Buchs
Im Folgenden werden die Themen der sechs Teile dieses Buchs kurz zusammenfassend dargestellt.
Im kurzen einleitenden Teil I wird zunächst die Thermodynamik definiert sowie ihr Umfang und ihre Arbeitsweise beschrieben. In
Kapitel 2
werden Ihre Kenntnisse in einigen Bereichen der Mathematik aufgefrischt. Dies betrifft insbesondere die Differentialrechnung und die Integration, die in der Thermodynamik eine große Rolle spielen.
In Teil II werden die Grundlagen der Thermodynamik behandelt.
Kapitel 3
beschäftigt sich mit allgemeinen Wärmephänomenen wie der Wärmeausdehnung, der Wärmespeicherung und –kapazität sowie dem Wärmetransport. In
Kapitel 4
werden dann die Zustandsgrößen eingeführt, mit denen der Zustand eines thermodynamischen Systems beschrieben werden kann. Im folgenden
Kapitel 5
geht es um die thermodynamische Behandlung von Änderungen des Zustands eines Systems. Thema des 6. Kapitels sind die thermodynamischen Potentiale, deren Diskussion zu den komplexeren Themen der Thermodynamik gehört.
Der III. Teil des Buchs ist den Gasen gewidmet. In
Kapitel 7
werden zunächst die Zustandsgleichungen idealer und realer Gase eingeführt, während sich
Kapitel 8
mit energetischen Betrachtungen beschäftigt.
Der Inhalt des IV. Teils ist rasch dargestellt. Thema des Teils sind die vier Hauptsätze der Thermodynamik; jedem Hauptsatz ist ein eigenes Kapitel gewidmet.
In Teil V werden die bislang in diesem Buch erworbenen Kenntnisse auf thermodynamische Vorgänge und Prozesse angewendet. In
Kapitel 13
werden zunächst ideale Prozesse betrachtet. Die beiden folgenden Kapitel beschäftigen sich dann mit realen Prozessen, wobei
Kapitel 14
zunächst Motoren und den sie beschreibenden Kreisprozessen gewidmet ist, während in
Kapitel 15
Dämpfe, Dampf/Gasgemische sowie ideale Mischungen diskutiert werden.
Teil VI beschäftigt sich schließlich mit der statistischen Interpretation der Thermodynamik. In
Kapitel 16
werden zunächst die grundlegenden Gedanken und Begriffe eingeführt, die der Anwendung statistischer Methoden in der Physik im Allgemeinen und insbesondere in der Thermodynamik zugrunde liegen. Abschließend wird in
Kapitel 17
die statistische Thermodynamik im Detail eingeführt.
Diese Darstellungsweise (zunächst die Darstellung der Grundlagen) bedingt, dass zuweilen Vorgriffe auf spätere Kapitel unumgänglich sind, insbesondere bei Beispielen oder Aufgaben. Das betrifft vor allem die ideale Gasgleichung, die Ihnen als angehenden Thermodynamiker wahrscheinlich ein Begriff ist, auch wenn Sie dieses Buch noch nicht gelesen haben. Andernfalls helfen Ihnen die Querverweise und der Index.
Vereinbarungen in diesem Buch
In diesem Buch gibt es eigentlich nur zwei Vereinbarungen, die Sie sich merken müssen:
Physikalische Größen sind
kursiv
gesetzt.
Wichtige Begriffe sind ebenfalls
kursiv
gesetzt, wenn sie zum ersten Mal auftauchen.
Elemente in diesem Buch
In diesem Buch sind einige Stellen besonders hervorgehoben. Es gibt graue Kästen, bei denen in der Kopfzeile der Zweck angegeben wird.
Tipp
Kästen mit der Kopfzeile Tipp stellen zum einen besonders wichtige Zusammenhänge dar, die Sie sich unbedingt merken sollten. Sie können aber auch auf besondere Aspekte hinweisen, die im Rahmen des gerade betrachteten Themas von Interesse sind.
Warnung
Es gibt auch in der Thermodynamik Fehler, die man unbedingt vermeiden muss. Sie können experimenteller Natur sein, aber auch die Beschreibung betreffen. In beiden Fällen wird vor diesen Fehlern in Kästen mit der Kopfzeile Warnung gewarnt.
Aufgabe
Am Ende jedes Kapitels finden Sie einige Übungsaufgaben, die durch das Aufgabensymbol gekennzeichnet sind.
Beispiel
In jedem Kapitel wird die Darstellung anhand von Zahlenbeispielen illustriert. Diese Beispiele sind durch grau umrandete Kästen gekennzeichnet.
Viel Spaß beim Lesen und Bearbeiten
Wenn Sie mit diesem Buch erfolgreich arbeiten wollen, empfehle ich Ihnen, zunächst den Eingangstest zu bearbeiten. Danach besitzen Sie einen Überblick, bei welchen Kapiteln oder Teilen Sie Defizite aufweisen. Sie sollten dann mit diesen Kapiteln/Teilen beginnen. Wenn Sie die Zeit aufbringen können, sollten Sie allerdings das ganze Buch lesen.
An dieser Stelle bleibt mir nur noch, Ihnen viel Spaß beim Lesen und Bearbeiten dieses Buchs zu wünschen.
Teil I:Die Grundlagen
In diesem einleitenden Teil des Buchs wird im vorliegenden Kapitel die Thermodynamik kurz vorgestellt. Im zweiten Kapitel werden dann Ihre Kenntnisse in einem wichtigen Teilbereich der Mathematik aufgefrischt, dem der Differential- und Integralrechnung.
1Eine kurze Einführung in die Thermodynamik
In diesem Kapitel
Definition der Thermodynamik
Eine kurze Geschichte der Thermodynamik
Makroskopische Thermodynamik und statistische Thermodynamik
Die Rolle der Thermodynamik in der Physik und den übrigen Naturwissenschaften
In diesem Kapitel wird die Thermodynamik zunächst definiert. Nach einer kurzen Darstellung ihrer Geschichte wird gezeigt, dass die Thermodynamik zwei unterschiedliche Herangehensweisen verwendet, eine makroskopische und eine mikroskopische statistische. Schließlich wird kurz auf die Rolle der Thermodynamik in der Physik und den übrigen Natur‐ und Ingenieurwissenschaften eingegangen.
Definition der Thermodynamik
Die Thermodynamik oder Wärmelehre ist ein Teilgebiet der klassischen Physik. Sie beschreibt den Transport und die Umwandlung unterschiedlicher Energieformen. Von besonderem Interesse sind Energieumwandlungsprozesse, an denen Wärme beteiligt ist, die eine spezielle Form der Energie darstellt. Dabei ist ein wichtiges Ziel der Thermodynamik, Energie in ihren verschiedenen Formen in Arbeit umzuwandeln. Ein weiteres wichtiges Thema der Thermodynamik sind die Eigenschaften der Stoffe als Funktion der thermodynamischen Bedingungen, insbesondere der Temperatur.
Für viele naturwissenschaftliche und ingenieurwissenschaftliche Fächer stellt die Thermodynamik allerdings eine Art von Hilfswissenschaft dar. Die Thermodynamik ist nicht das eigentliche Ziel des Studiums oder der Forschungsarbeit, sie ist aber erforderlich, um in einem Fach erfolgreich arbeiten zu können. Auf diesen Aspekt wird weiter unten noch einmal eingegangen.
Dieses Buch richtet sich an Studenten solcher Fächer, die die Thermodynamik als Hilfsmittel betrachten.
Eine kurze Geschichte der Thermodynamik
Die Geschichte der Thermodynamik beginnt im 18. Jahrhundert mit der Entwicklung der Gesetze, die später zur idealen Gasgleichung zusammengefasst wurden (
Kapitel 7
). Zu einer eigenständigen Wissenschaft entwickelte sich die Thermodynamik aber erst im 19. Jahrhundert, an dessen Ende sie ihren Höhepunkt erreichte. Dabei kann man zwei Entwicklungsstufen unterscheiden:
Zunächst wurden Fluide wie Flüssigkeiten oder Gase als makroskopische Körper aufgefasst, denen man bestimmte makroskopische Eigenschaften wie etwa den Druck oder die Temperatur zuordnete, ohne zu fragen, wie diese Größen zustande kommen. In ähnlicher Weise kann man einem Festkörper einen Elastizitätsmodul zuordnen, der seine Steifigkeit beschreibt, ohne zu fragen, worauf die Steifigkeit beruht. Diese Vorgehensweise wird auch bei Flüssigkeiten und Gasen als Kontinuumsmechanik bezeichnet.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts setzte sich mehr und mehr die Vorstellung durch, dass Materie, gleich welcher Art, aus Teilchen aufgebaut ist (Atome und Moleküle). Die Konsequenzen dieses Teilchencharakters der Materie wurden vor allem von James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann erarbeitet.
Dies ist kein Buch über die Geschichte der Thermodynamik, sondern ein Schnellkurs in diesem Teilgebiet der Physik. Dennoch wird im Folgenden kurz die Geschichte der Thermodynamik anhand einer Reihe von Forschern bzw. Personengruppen dargestellt.
Am Anfang der Thermodynamik steht im 18. Jahrhundert die Entwicklung der idealen Gasgleichung durch Robert Boyle, Edme Mariotte, Joseph Louis Gay‐Lussac, Guillaume Amontons, Jacques Charles und Amadeo Avogadro.
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts beschäftigte sich der französische Ingenieur und Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot mit Wärmekraftmaschinen wie beispielsweise der Dampfmaschine, die Ende des 18. Jahrhunderts von James Watt entwickelt worden war. Sadi Carnot erkannte als erster den Unterschied zwischen reversiblen und irreversiblen Prozessen. Er stellte zudem einen idealisierten Prozess vor (den in
Kapitel 13
diskutierten Carnotprozess), der bei gegebenen Bedingungen den größtmöglichen Wirkungsgrad besitzt; zugleich zeigte er, dass dieser stets kleiner als eins sein muss.
Um die Mitte des 19. Jahrhundert war Rudolf Clausius einer der entscheidenden Thermodynamiker, der vor allem im theoretischen Bereich arbeitete. Auf ihn geht der Begriff der Entropie sowie der zweite Hauptsatz der Thermodynamik zurück.
Ein weiterer wichtiger Name in der Geschichte der Thermodynamik ist William Thomson, der besser als Lord Kelvin bekannt ist. Auf ihn geht die nach ihm benannte Temperaturskala zurück, mit der er gleichzeitig den absoluten Nullpunkt der Temperatur einführte. Weitere Arbeiten Kelvins zur Thermodynamik betrafen unter anderem den Joule–Thomson‐Effekt.
Der Schotte James Clerk Maxwell ist vor allen durch seine Arbeiten zum Elektromagnetismus bekannt, die in den berühmten Maxwell'schen Gleichungen gipfelten, mit denen er den klassischen Elektromagnetismus vervollständigte. Maxwell beschäftigte sich aber auch mit der Thermodynamik. Einer seiner wichtigsten Beiträge ist die Maxwell'sche Geschwindigkeitsverteilung, die ausführlich in
Kapitel 8
vorgestellt wird.
Das Gebäude der klassischen Thermodynamik wurde Ende des 19. Jahrhunderts von dem österreichischen Physiker Ludwig Boltzmann vervollständigt.
Tipp
Nach Ludwig Boltzmann ist die wichtigste Konstante der Thermodynamik benannt, die Boltzmannkonstante kB, die eine zentrale Rolle in der Thermodynamik und der statistischen Mechanik spielt.
Schließlich muss in dieser Reihe noch der Name Max Planck genannt werden, der sich vor allem zu Beginn seiner Karriere mit der Thermodynamik beschäftigte. Er führte die Boltzmannkonstante ein, die er nach Ludwig Boltzmann benannte, obwohl er mit vielen Auffassungen Boltzmanns nicht einverstanden war.
Makroskopische Thermodynamik und statistische Thermodynamik
Aus der obigen Darstellung geht hervor, dass es in der Thermodynamik zwei grundsätzlich unterschiedliche Herangehensweisen gibt:
Die makroskopische Thermodynamik
Die statistische Thermodynamik
Diese beiden Vorgehensweisen schließen einander nicht aus. Ein wirkliches Verständnis der Thermodynamik kann im Gegenteil nur erreicht werden, wenn man beide Ansätze miteinander kombiniert.
Makroskopische Betrachtungsweise
Bei der makroskopischen Herangehensweise an die Thermodynamik betrachtet man eine Flüssigkeit oder ein Gas als einen Körper, dem man als Ganzes Eigenschaften wie eine Temperatur oder eine Energie zuordnen kann. Die Frage, wie dieser Körper in seinem Inneren aufgebaut ist, ist irrelevant, ebenso, worauf Größen wie die Temperatur oder die Energie und auch die Entropie eigentlich beruhen.
Die zentralen Fragen der makroskopischen Thermodynamik lauten: Welche Eigenschaften besitzt ein Stoff und vor allem ein System bei gegebenen thermodynamischen Bedingungen? Wie ändern sich diese Eigenschaften, wenn sich die Bedingungen ändern?
Statistische Betrachtungsweise
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts setzte sich mehr und mehr die Vorstellung durch, dass Körper aus einzelnen Teilchen (Atomen oder Molekülen bestehen). Im Prinzip könnte man ein Gas also auch beschreiben, indem man für jedes einzelne Teilchen die Bewegungsgleichungen aufstellt und diese dann unter Berücksichtigung der Tatsache löst, dass diese Teilchen untereinander sowohl stoßen als auch wechselwirken können und zudem auch mit den Wänden des Gefäßes stoßen können. Allerdings ist die Anzahl der Teilchen in einem Volumen größer als 1023! Dieser Weg ist also ausgeschlossen. Er ist im Prinzip auch nicht von Interesse. Eine mikroskopische Einzelbeschreibung ist nicht möglich.
Es verbleibt aber immer noch die Möglichkeit, das Verhalten der Teilchen in einem Volumen statistisch zu beschreiben und so zur Definition von durchschnittlichen Größen zu gelangen. Genau dies ist der Ansatzpunkt der statistischen Mechanik oder statistischen Thermodynamik. Man kann zwar nicht die Bewegung einzelner Teilchen im Detail verfolgen, aber man kann durchaus Größen wie die mittlere Geschwindigkeit oder die mittlere Energie berechnen. Die statistische Thermodynamik ist zudem in der Lage, schwer zu fassende Begriffe wie die Temperatur und die Entropie exakt zu definieren.
In diesem Buch wird vorwiegend vom makroskopischen Ansatz der Thermodynamik Gebrauch gemacht, obwohl die statistischen Aspekte nicht außer Acht gelassen werden. Auf die eigentliche statistische Thermodynamik wird dann im letzten Teil dieses Buchs näher eingegangen.
Die Rolle der Thermodynamik in der Physik und den anderen Naturwissenschaften
Die Thermodynamik stellt ein wichtiges Teilgebiet der klassischen Physik dar. Sie ist gleichberechtigt mit der Mechanik, der Optik, dem Elektromagnetismus und den weiteren Gebieten des Kanons der klassischen Physik. Für viele andere Natur‐ und Ingenieurwissenschaften ist die Thermodynamik eine Art von Hilfswissenschaft. Hier ist die Chemie an erster Stelle zu nennen, aber auch in der Meteorologie spielt sie eine wichtige Rolle. Darüber hinaus sind Kenntnisse der Thermodynamik für viele technische Anwendungen unumgänglich. An dieser Stelle seien ohne Anspruch auf Vollständigkeit die Bereiche Energie‐ und Kraftwerkstechnik, Umwelttechnik, Verfahrenstechnik, Heizungs‐, Klima‐ und Kältetechnik, Luft‐ und Raumfahrttechnik, Verbrennungstechnik sowie Produktionstechnik genannt.
Auf einen Blick
Die Thermodynamik oder Wärmelehre ist ein Teilgebiet der klassischen Physik.
Hauptthema der Thermodynamik sind die Energie, ihre verschiedenen Formen und deren Umwandlung ineinander.
Die Thermodynamik geht auch der Frage nach, wie man durch Umwandlung von Energieformen Arbeit leisten kann.
Man kann zwischen einem makroskopischen und einem statistischen Ansatz der Thermodynamik unterscheiden.
Für viele Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften ist die Thermodynamik eine Art von Hilfswissenschaft; ihre Kenntnis ist eine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche Arbeit.
2Ein klein wenig Mathematik
In diesem Kapitel
Absolute Größen, Differenzen und Differentiale
Ableitungen und partielle Ableitungen
Vom Differential zur Differenz: Integralrechnung
Wie jede Naturwissenschaft und insbesondere die Physik macht auch die Thermodynamik bei der Beschreibung ihrer Ergebnisse und vor allem bei deren Auswertung und Diskussion von der Mathematik Gebrauch. Im Bereich der Thermodynamik betrifft dies insbesondere die Verwendung von Ableitungen und vor allem von partiellen Ableitungen. Daher werden einige Aspekte der Mathematik, die in der Thermodynamik eine größere Rolle spielen, in diesem Kapitel noch einmal aufgefrischt. Dies betrifft zum einen den Unterschied zwischen absoluten Größen, Differenzen und Differentialen. Anschließend wird auf Ableitungen und vor allem partielle Ableitungen eingegangen. Am Schluss dieses Kapitels wird noch kurz auf die Umkehrung der Ableitung, also die Berechnung von Integralen eingegangen, die in der Thermodynamik ebenfalls eine wichtige Rolle spielt.
Absolute Größen, Differenzen und Differentiale
Ganz allgemein unterscheidet man in der Thermodynamik und in der gesamten Physik zwischen drei Angaben, die man für Größen verwenden kann:
Wenn Sie ein Glas Whisky on the Rocks vor sich stehen haben, wissen Sie, dass die absolute Größe der Temperatur 0 °C beträgt.
