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Thermodynamik

Thermodynamik

Das Studium der Thermodynamik ist der Zweig der klassischen Physik, der thermodynamische Transformationen untersucht und beschreibt, die durch Wärme und Arbeit in einem thermodynamischen System induziert werden. Diese Transformationen sind das Ergebnis von Prozessen, bei denen sich die Variablen des Temperatur- und Energiezustands auf makroskopischer Ebene ändern.

Die klassische Thermodynamik basiert auf dem Konzept des makroskopischen Systems, dh einem Teil der Masse, der physikalisch oder konzeptionell von der äußeren Umgebung getrennt ist, was häufig der Einfachheit halber angenommen wird und nicht durch den Energieaustausch mit dem System gestört wird.

Der Zustand eines makroskopischen Systems unter Gleichgewichtsbedingungen wird durch Größen angegeben, die als thermodynamische Variablen oder Zustandsfunktionen wie Temperatur, Druck, Volumen und chemische Zusammensetzung bezeichnet werden. Die wichtigsten Notationen in der chemischen Thermodynamik wurden von der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie festgelegt.

Es gibt jedoch einen Zweig der Thermodynamik, der als Nichtgleichgewichtsthermodynamik bezeichnet wird und thermodynamische Prozesse untersucht, die durch die Unfähigkeit gekennzeichnet sind, stabile Gleichgewichtsbedingungen zu erreichen.

Was sind die Gesetze der Thermodynamik?

Die Prinzipien der Thermodynamik wurden im 19. Jahrhundert formuliert und regulieren die thermodynamischen Transformationen, ihren Fortschritt, ihre Grenzen. Sie sind reale, unbewiesene und unbeweisbare Axiome, die auf Erfahrung beruhen und auf denen die gesamte Theorie der Thermodynamik basiert.

Wir können drei Grundprinzipien unterscheiden, plus ein "Null" -Prinzip, das die Temperatur definiert und das in den anderen drei impliziert ist.

Nullgesetz der Thermodynamik

Wenn sich zwei wechselwirkende Systeme im thermischen Gleichgewicht befinden, teilen sie einige Eigenschaften, die gemessen werden können, wodurch sie einen genauen numerischen Wert erhalten. Wenn sich zwei Systeme mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht befinden, befinden sie sich im Gleichgewicht miteinander und die gemeinsame Eigenschaft ist die Temperatur. Das Nullprinzip der Thermodynamik besagt einfach, dass, wenn sich ein Körper "A" im thermischen Gleichgewicht mit einem Körper "B" befindet und "B" im thermischen Gleichgewicht mit einem Körper "C" ist, "A" und "C" sind im thermischen Gleichgewicht zwischen ihnen.

Dieses Prinzip erklärt die Tatsache, dass zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen, zwischen denen Wärme ausgetauscht wird (auch wenn dieses Konzept im Nullprinzip nicht vorhanden ist), am Ende dieselbe Temperatur erreichen.

Im kinetischen Nullformulierungsprinzip der Thermodynamik besteht die Tendenz, zu einer gemeinsamen durchschnittlichen kinetischen Energie der Atome und Moleküle der Körper zu gelangen, zwischen denen es Wärmeaustausch führt: im Durchschnitt infolge von Kollisionen von Körperpartikeln Im Durchschnitt heißer, schneller, mit kälteren Körperpartikeln, im Durchschnitt langsamer, geht Energie von der ersten zur zweiten und tendiert zu gleichen Temperaturen. Die Effizienz des Energieaustauschs bestimmt die spezifische Wärme der beteiligten Elemente.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Wenn ein Körper mit einem relativ kälteren Körper in Kontakt kommt, findet eine Transformation statt, die zu einem Gleichgewichtszustand führt, in dem die Temperaturen der beiden Körper gleich sind, wodurch die Energieübertragung zwischen dem heißen Körper und dem kalten Körper verbessert wird .

Um dieses Phänomen zu erklären, nahmen Wissenschaftler des 18. Jahrhunderts an, dass eine Substanz, die im heißesten Körper in größeren Mengen vorhanden ist, in den kältesten Körper übergeht.

Diese hypothetische Substanz, Kalorien genannt, wurde als eine Flüssigkeit angesehen, die sich durch die Masse bewegen kann, die zu Unrecht Materie genannt wird. Das erste Prinzip der Thermodynamik identifiziert Wärme als eine Energieform, die in mechanische Arbeit umgewandelt und gespeichert werden kann, aber keine materielle Substanz ist.

Es wurde experimentell gezeigt, dass Wärme, ursprünglich gemessen in Kalorien, und Arbeit oder Energie, gemessen in Joule, tatsächlich gleichwertig sind. Jede Kalorie entspricht ungefähr 4.186 Joule.

Das erste Prinzip ist daher ein Prinzip der Energieeinsparung. In jeder Wärmekraftmaschine oder Wärmekraftmaschine wird eine bestimmte Energiemenge in Arbeit umgewandelt: Es kann keine Maschine geben, die Arbeit produziert, ohne Energie zu verbrauchen. Eine ähnliche Maschine würde, wenn sie existieren würde, tatsächlich die sogenannte ewige Bewegung der ersten Spezies erzeugen.

Das erste Prinzip ist traditionell festgelegt als:

Die Variation der inneren Energie eines geschlossenen thermodynamischen Systems entspricht der Differenz zwischen der dem System zugeführten Wärme und der Arbeit des Systems in der Umgebung.

Die entsprechende mathematische Formulierung wird ausgedrückt als:

ΔU = Q - L.

Dabei ist U die interne Energie des Systems, Q die dem System zugeführte Wärme und L die vom System geleistete Arbeit.

Interne Energie bedeutet die Summe der kinetischen Energien und der Wechselwirkung der verschiedenen Teilchen in einem System. Q ist die zwischen der Umgebung und dem System ausgetauschte Wärme (positiv, wenn sie dem System zugeführt wird, negativ, wenn sie vom System übertragen wird) und L die geleistete Arbeit (positiv, wenn das System dies in der Umgebung tut, negativ, wenn die Umgebung dies tut das System).

Die Vorzeichenkonvention wird durch den Zusammenhang mit der Untersuchung von Wärmekraftmaschinen beeinflusst, bei denen Wärme (teilweise) in Arbeit umgewandelt wird.

Die alternativen und äquivalenten Formulierungen des ersten Prinzips sind:

  • Für ein offenes System ist qw =? E wo? E ist für die Variation der Gesamtenergie gedacht, die nichts anderes ist als die Summe der Änderungen der inneren Energie, der kinetischen Energie und der potentiellen Energie, die dieses System hat. Wir sehen, dass für ein geschlossenes System die Variationen der kinetischen und potentiellen Energie null sind, und beziehen uns daher auf die vorherige Beziehung.
  • Für einen thermodynamischen Zyklus ist q = w, da die Gesamtenergieänderung Null ist, wobei das System am Ende jedes Zyklus wieder die gleichen Startbedingungen aufweist.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Es gibt mehrere Aussagen des zweiten Prinzips, die alle gleichwertig sind, und jede der Formulierungen betont einen bestimmten Aspekt. Darin heißt es: "Es ist unmöglich, eine zyklische Maschine auszuführen, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem kalten auf einen warmen Körper ist" (Clausius-Aussage), oder gleichwertig, dass "es unmöglich ist, eine Transformation durchzuführen, deren Ergebnis nur ist die Umwandlung der aus einer einzigen Quelle gewonnenen Wärme in mechanische Arbeit "(Kelvins Aussage).

Diese letzte Einschränkung verweigert die Möglichkeit, die sogenannte ewige Bewegung der zweiten Art durchzuführen. L 'Entropie Die Summe eines isolierten Systems bleibt unverändert, wenn eine reversible Transformation stattfindet, und nimmt zu, wenn eine irreversible Transformation stattfindet.

Dritter Hauptsatz der Thermodynamik

Es ist eng mit letzterem verwandt und wird in einigen Fällen als Folge des letzteren angesehen. Man kann sagen, dass "es unmöglich ist, mit einer endlichen Anzahl von Transformationen den absoluten Nullpunkt zu erreichen" und eine genaue Definition der als Entropie bezeichneten Größe liefert.

Es heißt auch, dass die Entropie für einen perfekt kristallinen Feststoff bei einer Temperatur von 0 Kelvin gleich 0 ist. Diese Aussage lässt sich leicht durch molekulare Thermodynamik erklären: Ein perfekt kristalliner Feststoff besteht aus einem einzigen Komplex (Sie sind alle Arten von Organisieren Sie die Moleküle, wenn die Moleküle alle gleich sind, unabhängig von ihrer Anordnung, makroskopisch ist der Kristall immer derselbe) und, da er 0 Kelvin ist, die Energie der Schwingung, Translation und Rotation der Partikel, aus denen er besteht komponieren ist daher nichts vom Boltzmannschen Gesetz S = k ln (1) = 0, wobei 1 die Komplexe sind (in diesem Fall nur einer).

Geschichte der Thermodynamik

Sadi Carnot war 1824 der erste, der demonstrierte, dass Arbeit durch Wärmeaustausch zwischen zwei Quellen bei unterschiedlichen Temperaturen erzielt werden kann. Mit Carnots Theorem und Carnots idealer Maschine (basierend auf dem Carnot-Zyklus) quantifizierte er diese Arbeit und führte das Konzept der thermodynamischen Effizienz ein.

1848 führte Lord Kelvin mit Carnots Maschine das Konzept der effektiven thermodynamischen Temperatur ein und ist für die Erklärung des zweiten Prinzips der Thermodynamik verantwortlich.

1850 demonstrierte James Prescott Joule die Gleichheit der beiden Energieformen (damals glaubte man, dass die Kalorienflüssigkeit noch vorhanden war).

Dabei stellte sich das Problem, dass es nicht möglich gewesen wäre, die Umkehrung zu erhalten, wenn es möglich gewesen wäre, die gesamte Arbeitshitze zu erhalten. Dieses Ergebnis landete auch Clausius, der 1855 seine Ungleichheit darstellt, um reversible Prozesse des Irreversiblen und den Zustand der Entropiefunktion zu erkennen.

1876 ​​veröffentlichte Willard Gibbs die Abhandlung "Über das Gleichgewicht heterogener Substanzen" (Über das Gleichgewicht heterogener Substanzen), in der gezeigt wurde, wie ein thermodynamischer Prozess grafisch dargestellt werden kann und wie Energie, Entropie, Volumen, Temperatur und Energie untersucht werden können Der Druck könnte die eventuelle Spontaneität des betrachteten Prozesses vorhersehen.

Der Fall der Thermodynamik ist in der Geschichte und in der Erkenntnistheorie der Wissenschaft ein Symbol: Es ist einer der Fälle, in denen die Praxis Pionierarbeit für die Theorie selbst geleistet hat: Der erste ist also für die Dampfmaschine ausgelegt seine theoretische Funktionsweise wurde durch seine Grundprinzipien systematisiert.

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Erscheinungsdatum: 7. März 2018
Geändert am: 31. März 2020