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Gesetze der Thermodynamik

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Der als Thermodynamik bezeichnete Wissenschaftszweig befasst sich mit Systemen, die Wärmeenergie in mindestens eine andere Energieform (mechanisch, elektrisch usw.) oder in Arbeit umwandeln können. Die Gesetze der Thermodynamik wurden im Laufe der Jahre als einige der grundlegendsten Regeln entwickelt, die befolgt werden, wenn ein thermodynamisches System eine Art Energiewandel durchläuft.

Geschichte der Thermodynamik

Die Geschichte der Thermodynamik beginnt mit Otto von Guericke, der 1650 die erste Vakuumpumpe der Welt baute und mit seinen Magdeburger Halbkugeln ein Vakuum demonstrierte. Guericke wurde getrieben, um ein Vakuum zu schaffen, um Aristoteles 'lang gehegte Annahme zu widerlegen, dass' die Natur ein Vakuum verabscheut '. Kurz nach Guericke hatte der englische Physiker und Chemiker Robert Boyle von Guerickes Entwürfen erfahren und 1656 in Abstimmung mit dem englischen Wissenschaftler Robert Hooke eine Luftpumpe gebaut. Mit dieser Pumpe stellten Boyle und Hooke eine Korrelation zwischen Druck, Temperatur und Volumen fest. Mit der Zeit wurde das Boyle'sche Gesetz formuliert, das besagt, dass Druck und Volumen umgekehrt proportional sind.

Folgen der Gesetze der Thermodynamik

Die Gesetze der Thermodynamik sind in der Regel recht einfach zu formulieren und zu verstehen ... so sehr, dass die Auswirkungen, die sie haben, leicht unterschätzt werden können. Sie schränken unter anderem ein, wie Energie im Universum genutzt werden kann. Es wäre sehr schwer zu betonen, wie wichtig dieses Konzept ist. Die Konsequenzen der Gesetze der Thermodynamik berühren in gewisser Weise fast jeden Aspekt der wissenschaftlichen Forschung.

Schlüsselkonzepte zum Verständnis der Gesetze der Thermodynamik

Um die Gesetze der Thermodynamik zu verstehen, ist es wichtig, einige andere Thermodynamikkonzepte zu verstehen, die sich auf sie beziehen.

  • Thermodynamik-Übersicht - eine Übersicht über die Grundprinzipien der Thermodynamik
  • Wärmeenergie - eine grundlegende Definition von Wärmeenergie
  • Temperatur - eine grundlegende Definition der Temperatur
  • Einführung in die Wärmeübertragung - Erläuterung verschiedener Wärmeübertragungsmethoden.
  • Thermodynamische Prozesse - Die Gesetze der Thermodynamik gelten hauptsächlich für thermodynamische Prozesse, wenn ein thermodynamisches System einen Energietransfer durchläuft.

Entwicklung der Gesetze der Thermodynamik

Das Studium der Wärme als besondere Energieform begann ungefähr 1798, als Sir Benjamin Thompson (auch als Graf Rumford bekannt), ein britischer Militäringenieur, feststellte, dass Wärme proportional zum Arbeitsaufwand erzeugt werden kann… ein grundlegendes Konzept, das würde letztendlich eine Folge des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik werden.

Der französische Physiker Sadi Carnot formulierte erstmals 1824 ein Grundprinzip der Thermodynamik. Die Prinzipien, die Carnot verwendete, um seine zu definieren Carnot-Zyklus Die Wärmekraftmaschine würde schließlich vom deutschen Physiker Rudolf Clausius in den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik übersetzt, dem auch häufig die Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik zugeschrieben wird.

Ein Grund für die rasante Entwicklung der Thermodynamik im 19. Jahrhundert war die Notwendigkeit, während der industriellen Revolution effiziente Dampfmaschinen zu entwickeln.

Kinetische Theorie und Gesetze der Thermodynamik

Die Gesetze der Thermodynamik beschäftigen sich nicht besonders mit dem spezifischen Wie und Warum der Wärmeübertragung, was für Gesetze, die vor der vollständigen Übernahme der Atomtheorie formuliert wurden, Sinn macht. Sie befassen sich mit der Gesamtsumme der Energie- und Wärmeübergänge innerhalb eines Systems und berücksichtigen nicht die Besonderheiten der Wärmeübertragung auf atomarer oder molekularer Ebene.

Das Nullgesetz der Thermodynamik

Dieses Nullgesetz ist eine Art Übergangseigenschaft des thermischen Gleichgewichts. Die transitiven Eigenschaften der Mathematik besagen, dass wenn A = B und B = C, dann A = C. Dasselbe gilt für thermodynamische Systeme, die sich im thermischen Gleichgewicht befinden.

Eine Konsequenz des Nullgesetzes ist der Gedanke, dass die Temperaturmessung irgendeine Bedeutung hat. Um die Temperatur messen zu können, muss ein thermisches Gleichgewicht zwischen dem gesamten Thermometer, dem Quecksilber im Inneren des Thermometers und der zu messenden Substanz hergestellt werden. Dies führt wiederum dazu, dass die Temperatur des Stoffes genau bestimmt werden kann.

Dieses Gesetz wurde verstanden, ohne in der Geschichte der Thermodynamikforschung ausdrücklich erwähnt zu werden, und es wurde erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts als eigenständiges Gesetz erkannt. Es war der britische Physiker Ralph H. Fowler, der den Begriff "Zeroeth Law" zum ersten Mal prägte, da er glaubte, er sei grundlegender als die anderen Gesetze.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Obwohl dies komplex klingen mag, ist es wirklich eine sehr einfache Idee. Wenn Sie einem System Wärme hinzufügen, können Sie nur zwei Dinge tun - die interne Energie des Systems ändern oder das System zum Funktionieren bringen (oder natürlich eine Kombination aus beiden). Die gesamte Wärmeenergie muss in diese Dinge fließen.

Mathematische Darstellung des ersten Gesetzes

Physiker verwenden in der Regel einheitliche Konventionen für die Darstellung der Größen im ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Sie sind:

  • U1 (oderUi) = anfängliche innere Energie zu Beginn des Prozesses
  • U2 (oderUf) = endgültige innere Energie am Ende des Prozesses
  • Delta-U = U2 - U1 = Änderung der inneren Energie (wird in Fällen verwendet, in denen die Besonderheiten des Beginns und Endes der inneren Energie irrelevant sind)
  • Q. = Wärmeübertragung in (Q. > 0) oder aus (Q. <0) das System
  • W = vom System geleistete Arbeit (W > 0) oder auf dem System (W < 0).

Dies ergibt eine mathematische Darstellung des ersten Gesetzes, die sich als sehr nützlich erweist und auf einige nützliche Arten umgeschrieben werden kann:

Die Analyse eines thermodynamischen Prozesses umfasst im Allgemeinen, zumindest innerhalb einer Situation im Physikunterricht, die Analyse einer Situation, in der eine dieser Größen entweder 0 ist oder zumindest in vernünftiger Weise steuerbar ist. Beispielsweise kann in einem adiabatischen Prozess die Wärmeübertragung (Q.) ist gleich 0, während in einem isochoren Prozess die Arbeit (W) ist gleich 0.

Das erste Gesetz und die Erhaltung der Energie

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik wird von vielen als Grundlage des Konzepts der Energieeinsparung angesehen. Grundsätzlich heißt es, dass die Energie, die in ein System fließt, auf diesem Weg nicht verloren gehen kann, sondern für etwas verwendet werden muss. In diesem Fall muss entweder die innere Energie geändert oder Arbeit verrichtet werden.

Aus dieser Sicht ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik einer der weitreichendsten wissenschaftlichen Konzepte, die jemals entdeckt wurden.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist auf viele Arten formuliert, wie in Kürze erläutert wird, ist jedoch im Grunde genommen ein Gesetz, das sich - anders als die meisten anderen Gesetze in der Physik - nicht mit dem Tun von etwas befasst, sondern ausschließlich mit dem Platzieren eine Einschränkung dessen, was getan werden kann.

Es ist ein Gesetz, das besagt, dass die Natur uns daran hindert, bestimmte Ergebnisse zu erzielen, ohne viel Arbeit in sie zu stecken, und als solches ist es auch eng mit dem Konzept der Energieerhaltung verbunden, so wie es das erste Gesetz der Thermodynamik ist.

In der Praxis bedeutet dieses Gesetz, dass jederWärmekraftmaschine oder ein ähnliches Gerät, das auf den Prinzipien der Thermodynamik basiert, kann theoretisch nicht 100% effizient sein.

Dieses Prinzip wurde erstmals vom französischen Physiker und Ingenieur Sadi Carnot beleuchtet, als er sein eigenes entwickelteCarnot-Zyklus Motor im Jahr 1824 und wurde später als Gesetz der Thermodynamik von dem deutschen Physiker Rudolf Clausius formalisiert.

Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist vielleicht der populärste außerhalb des Bereichs der Physik, da er eng mit dem Konzept der Entropie oder der Störung zusammenhängt, die während eines thermodynamischen Prozesses erzeugt wird. Umformuliert als Aussage zur Entropie lautet das zweite Gesetz:

In jedem geschlossenen System, mit anderen Worten, kann das System jedes Mal, wenn ein System einen thermodynamischen Prozess durchläuft, niemals vollständig in genau den Zustand zurückkehren, in dem es zuvor war. Dies ist eine Definition für diePfeil der Zeit da die Entropie des Universums nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik mit der Zeit immer größer wird.

Andere Formulierungen des zweiten Gesetzes

Eine zyklische Umwandlung, deren einziges Endergebnis darin besteht, Wärme, die aus einer Quelle mit derselben Temperatur gewonnen wird, in Arbeit umzuwandeln, ist unmöglich. - Der schottische Physiker William Thompson (Eine zyklische Umwandlung, deren einziges Endergebnis darin besteht, Wärme von einem Körper mit einer bestimmten Temperatur auf einen Körper mit einer höheren Temperatur zu übertragen, ist unmöglich. - Der deutsche Physiker Rudolf Clausius

Alle obigen Formulierungen des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik sind äquivalente Aussagen desselben Grundprinzips.

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik ist im Wesentlichen eine Aussage über die Fähigkeit zur Erzeugung einesabsolut Temperaturskala, für die der absolute Nullpunkt der Punkt ist, an dem die innere Energie eines Festkörpers genau 0 ist.

Verschiedene Quellen zeigen die folgenden drei möglichen Formulierungen des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik:

  1. Es ist unmöglich, ein System in einer endlichen Reihe von Operationen auf den absoluten Nullpunkt zu reduzieren.
  2. Die Entropie eines perfekten Kristalls eines Elements in seiner stabilsten Form tendiert gegen Null, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert.
  3. Wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert, nähert sich die Entropie eines Systems einer Konstanten

Was das dritte Gesetz bedeutet

Das dritte Gesetz bedeutet einige Dinge, und wieder führen alle diese Formulierungen zu demselben Ergebnis, je nachdem, wie viel Sie berücksichtigen:

Formulierung 3 enthält die geringsten Beschränkungen, wobei lediglich angegeben wird, dass die Entropie eine Konstante erreicht. Tatsächlich ist diese Konstante Null-Entropie (wie in Formulierung 2 angegeben). Aufgrund von Quantenbeschränkungen für ein physikalisches System wird es in seinen niedrigsten Quantenzustand kollabieren, kann jedoch niemals perfekt auf 0 reduziert werden. Daher ist es unmöglich, ein physikalisches System in einer endlichen Anzahl von Schritten (die ergibt uns Formulierung 1).


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