Das Studium der Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der die thermodynamischen Transformationen untersucht und beschreibt, die durch Wärme und Arbeit in einem thermodynamischen System hervorgerufen werden. Diese Transformationen sind das Ergebnis von Prozessen, bei denen sich die Zustandsgrößen Temperatur und Energie auf makroskopischer Ebene ändern.
Die klassische Thermodynamik basiert auf dem Konzept eines makroskopischen Systems, das heißt eines Teils der Masse, der physisch oder konzeptionell von der äußeren Umgebung getrennt ist und oft aus Bequemlichkeitsgründen davon ausgeht, dass er nicht durch den Energieaustausch mit dem System gestört wird.
Der Zustand eines makroskopischen Systems, das sich im Gleichgewicht befindet, wird durch Größen angegeben, die als thermodynamische Variablen oder Zustandsfunktionen bezeichnet werden, wie z. B. Temperatur, Druck, Volumen und chemische Zusammensetzung. Die wichtigsten Bezeichnungen der chemischen Thermodynamik wurden von der International Union of Pure and Applied Chemistry festgelegt.
Es gibt jedoch einen Zweig der Thermodynamik, die sogenannte Nichtgleichgewichtsthermodynamik, der thermodynamische Prozesse untersucht, die dadurch gekennzeichnet sind, dass stabile Gleichgewichtsbedingungen nicht erreicht werden können.
Klassische Gesetze der Thermodynamik
Die Prinzipien der Thermodynamik wurden im 19. Jahrhundert formuliert und regeln thermodynamische Transformationen, ihren Verlauf und ihre Grenzen. Es handelt sich um reale, unbewiesene und unbeweisbare Axiome, die auf Erfahrung basieren und auf denen die gesamte Theorie der Thermodynamik basiert.
Wir können drei Grundprinzipien unterscheiden, plus ein „Null“-Prinzip, das die Temperatur definiert und in den anderen drei implizit enthalten ist.
Nullgesetz der Thermodynamik
Wenn sich zwei interagierende Systeme im thermischen Gleichgewicht befinden, teilen sie einige Eigenschaften, die gemessen werden können und ihnen einen genauen numerischen Wert geben. Wenn sich also zwei Systeme mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht befinden, befinden sie sich auch untereinander im Gleichgewicht, und die gemeinsame Eigenschaft ist die Temperatur.
Das Nullprinzip der Thermodynamik besagt einfach, dass wenn ein Körper „A“ im thermischen Gleichgewicht mit einem Körper „B“ und „B“ im thermischen Gleichgewicht mit einem Körper „C“ steht, dann „A“ und „C“ im thermischen Gleichgewicht sind Gleichgewichtsgleichgewicht zwischen ihnen.
Dieses Prinzip erklärt die Tatsache, dass zwei Körper unterschiedlicher Temperatur, zwischen denen Wärme ausgetauscht wird (auch wenn dieses Konzept im Nullprinzip nicht vorhanden ist), am Ende die gleiche Temperatur erreichen.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik
Der erste Hauptsatz der klassischen Thermodynamik, auch Energieerhaltungssatz genannt, besagt, dass die Gesamtenergie eines isolierten Systems erhalten bleibt. Mit anderen Worten: Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden, sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden.
Die mathematische Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik lautet:
ΔU = Q - W
Dabei stellt ΔU die Änderung der inneren Energie des Systems dar, Q ist die von der Umgebung an das System übertragene Wärme und W ist die Arbeit, die das System an der Umgebung verrichtet.
Diese Gleichung zeigt an, dass jede Änderung der inneren Energie eines Systems auf Wärmeübertragung und geleistete Arbeit zurückzuführen ist. Wenn Q positiv ist, bedeutet dies, dass dem System Wärme zugeführt wird, während Q negativ ist, dass das System Wärme an die Umgebung abgibt. Wenn W positiv ist, bedeutet dies gleichermaßen, dass das System an der Umgebung arbeitet, und wenn W negativ ist, bedeutet dies, dass die Umgebung an dem System arbeitet.
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Es gibt mehrere Aussagen zum zweiten Prinzip, die alle gleichwertig sind, und jede der Formulierungen betont einen bestimmten Aspekt. Darin heißt es, dass „es unmöglich ist, eine zyklische Maschine auszuführen, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem kalten auf einen warmen Körper ist“ (Clausius-Aussage) oder, äquivalent, dass „es unmöglich ist, eine Transformation durchzuführen, deren Ergebnis …“ nur die Umwandlung von Wärme, die einer einzigen Quelle entnommen wird, in mechanische Arbeit“ (Kelvin-Aussage).
Diese letzte Einschränkung verneint die Möglichkeit, das sogenannte Perpetuum mobile zweiter Art durchzuführen. Die Gesamtentropie eines isolierten Systems bleibt unverändert, wenn eine reversible Transformation stattfindet, und erhöht sich, wenn eine irreversible Transformation stattfindet.
Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
Der dritte Hauptsatz der klassischen Thermodynamik besagt, dass es unmöglich ist, durch eine endliche Anzahl thermodynamischer Transformationen den absoluten Nullpunkt (0 Kelvin) zu erreichen. Dieses Gesetz wurde 1906 von Walther Nernst formuliert.
Genauer gesagt besagt das dritte Gesetz, dass die Entropie eines perfekt kristallinen, reinen Systems Null ist, wenn die Temperatur den absoluten Nullpunkt erreicht. Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung oder Zufälligkeit eines Systems, und das dritte Gesetz besagt, dass sich die Entropie des Systems ebenfalls Null nähert, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert.
Anwendungen der klassischen Thermodynamik
Die klassische Thermodynamik hat ein breites Spektrum praktischer Anwendungen. Hier sind einige der Bereiche, in denen die klassische Thermodynamik weit verbreitet ist:
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Energietechnik: Die klassische Thermodynamik ist für den Entwurf und die Optimierung von Energieerzeugungssystemen wie Kraftwerken, Gasturbinen, Verbrennungsmotoren und erneuerbaren Energiesystemen von wesentlicher Bedeutung. Es hilft, Energieeffizienz, thermodynamische Kreisläufe und Wärmeübertragung in diesen Systemen zu verstehen.
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Chemieingenieurwesen: Die klassische Thermodynamik ist von entscheidender Bedeutung für die Gestaltung und den Betrieb chemischer Prozesse, einschließlich der chemischen Produktion, der Erdölraffinierung, der Materialsynthese und der Lebensmittelproduktion. Es ermöglicht die Analyse chemischer Gleichgewichte, Wärmeübertragungsberechnungen und Prozessoptimierungen.
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Kühlung und Klimaanlage: Die klassische Thermodynamik ist für das Verständnis von Kühlkreisläufen und Klimaanlagen unerlässlich. Hilft bei der Auslegung von Kühlsystemen, der Auswahl von Kältemitteln und der Berechnung der Kühlleistung.
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Materialwissenschaft: Mit der klassischen Thermodynamik werden die Eigenschaften von Materialien in verschiedenen thermodynamischen Zuständen untersucht, beispielsweise in der festen, flüssigen und gasförmigen Phase. Es hilft, Phasenstabilität, Phasenübergänge und Gleichgewichtseigenschaften wie Dampfdruck und Löslichkeit vorherzusagen.
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Untersuchung des chemischen Gleichgewichts: Die klassische Thermodynamik ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis des chemischen Gleichgewichts und des Verhaltens chemischer Reaktionen. Es ermöglicht die Feststellung, ob eine Reaktion spontan abläuft oder nicht, und liefert Informationen über die thermodynamische Leistung chemischer Prozesse.
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Atmosphären- und Klimaforschung: Die klassische Thermodynamik wird bei der Untersuchung der Atmosphäre, des Klimas und der Wetterphänomene angewendet. Es hilft, die Prozesse der Wärmeübertragung in der Atmosphäre, der Wolkenbildung und der Sonneneinstrahlung zu verstehen.
