Thermodynamik

Die Thermodynamik oder auch Wärmelehre beschäftigt sich mit großen ungeordneten Systemen, die aus vielen Teilsystemen (Atome, Moleküle) bestehen. Da diese Systeme in der Regel so groß sind, dass die mikroskopische Betrachtung jedes einzelnen beteiligten Teilchens unmöglich ist, gibt es zur Beschreibung solcher Systeme zwei Ansätze:

Einerseits werden thermodynamische Zustandsgrößen herangezogen, um den Zustand eines großen ungeordneten Systems zu beschreiben.

Andererseits lassen sich große Systeme durch statistische Methoden und der kinetischen Gastheorie beschreiben.

Thermodynamische Zustandsgößen

Zustandsgrößen sind makroskopische physikalische Größen, die den Zustand eines Systems beschreiben und nicht davon abhängen, auf welchem Weg der jeweilige Zustand erreicht wurde. Ein gegebener makroskopischer Zustand kann in der Regel durch eine Vielzahl unterschiedlicher mikroskopischer Konfigurationen realisiert werden.

Es wird zwischen extensiven (die mit der Größe des Systems skalieren) und intensiven Zustandsgrößen unterschieden.

Hauptsätze der Thermodynamik

Ein thermodynamisches System kann mit seiner Umgebung Energie in Form von Wärme oder Arbeit austauschen. Durch solch einen Austausch ändert sich zumindest eine der Zustandsvariablen. Diese Zustandsänderungen können geschlossen durch die Hauptsätze der Thermodynamik beschrieben werden. Der 1. Hauptsatz beschreibt die Energieerhaltung und der 2. Hauptsatz trifft Aussagen über die Richtung und Umkehrbarkeit von thermodynamischen Prozessen.

Entropie

Die Entropie ist eine thermodynamische Zustandsgröße eines physikalischen Systems und beschreibt, ob ein Prozess spontan (von alleine, ohne Wechselwirkung mit der Umgebung) vonstatten geht. Läuft ein Prozess spontan ab, so steigt die Entropie in diesem System, bis sie ein Maximum erreicht.

Die Entropie wird oft als Maß für die „Unordnung“ in einem System interpretiert. Eine exaktere Deutung der Entropie liefert die Boltzmann’sche Formulierung, in der die Entropie durch die Anzahl verschiedener Mikrozustände, die dem selben Makrozustand des Systems zugeordnet werden, gegeben ist.

Ideales Gasgesetz

Beim Modell des idealen Gases geht man von einer Vielzahl ungeladener Teilchen in ungeordneter Bewegung aus. Dabei wird weiter angenommen, dass sich die Teilchen frei bewegen können und die Stöße mit den Gefäßwänden und auch zwischen den Teilchen rein elastisch sind. Trotz dieser großen Einschränkungen lassen sich mit dem Modell des idealen Gases viele Prozesse beschreiben. Das ideale Gasgesetz ist ein Zusammenhang der Zustandsgrößen eines idealen Gases.

Kreisprozesse

Ein Kreisprozess bezeichnet in der Thermodynamik eine periodische Folge von Zustandsänderungen eines Mediums (Fluids), wobei stets wieder der Anfangszustand des Systems erreicht wird. Kreisprozesse können in Phasendiagrammen (auch Zustandsdiagramme) dargestellt werden. Dabei ist der Rückweg ein anderer, als der, bei dem sich der Zustand vom Anfangszustand wegbewegt hat.

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