Die Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der sich mit den Beziehungen zwischen Wärme und anderen Energieformen befasst. Insbesondere wird beschrieben, wie Wärmeenergie in und aus anderen Energieformen umgewandelt wird und wie sie die Materie beeinflusst.
Thermische Energie ist die Energie, die eine Substanz oder ein System aufgrund ihrer Temperatur hat, d. H. Die Energie bewegter oder vibrierender Moleküle, so die Energy Education-Website der Texas Education Agency. Die Thermodynamik beinhaltet die Messung dieser Energie, die laut David McKee, Professor für Physik an der Missouri Southern State University, „äußerst kompliziert“ sein kann. „Die Systeme, die wir in der Thermodynamik untersuchen … bestehen aus einer sehr großen Anzahl von Atomen oder Molekülen, die auf komplizierte Weise interagieren. Wenn diese Systeme jedoch die richtigen Kriterien erfüllen, die wir Gleichgewicht nennen, können sie mit einer sehr kleinen Anzahl von Messungen oder Zahlen beschrieben werden. Oft wird dies als die Masse des Systems, der Druck des Systems und das Volumen des Systems oder eine andere äquivalente Menge von Zahlen idealisiert. Drei Zahlen beschreiben 1026 oder 1030 nominale unabhängige Variablen.“
Wärme
Die Thermodynamik befasst sich also mit mehreren Eigenschaften der Materie; An erster Stelle steht Wärme. Wärme ist Energie, die zwischen Substanzen oder Systemen aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen ihnen übertragen wird, so die Energieerziehung. Als Energieform wird Wärme konserviert, d.h. sie kann nicht erzeugt oder zerstört werden. Es kann jedoch von einem Ort zum anderen übertragen werden. Wärme kann auch in und aus anderen Energieformen umgewandelt werden. Beispielsweise kann eine Dampfturbine Wärme in kinetische Energie umwandeln, um einen Generator zu betreiben, der kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Eine Glühbirne kann diese elektrische Energie in elektromagnetische Strahlung (Licht) umwandeln, die, wenn sie von einer Oberfläche absorbiert wird, wieder in Wärme umgewandelt wird.
Temperatur
Die von einer Substanz übertragene Wärmemenge hängt laut Energy Education von der Geschwindigkeit und Anzahl der sich bewegenden Atome oder Moleküle ab. Je schneller sich die Atome oder Moleküle bewegen, desto höher ist die Temperatur und je mehr Atome oder Moleküle in Bewegung sind, desto größer ist die Wärmemenge, die sie übertragen.
Die Temperatur ist „ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Partikel in einer Materieprobe, ausgedrückt in Einheiten oder Graden, die auf einer Standardskala angegeben sind“, so das American Heritage Dictionary. Die am häufigsten verwendete Temperaturskala ist Celsius, die auf dem Gefrier- und Siedepunkt von Wasser basiert und entsprechende Werte von 0 Grad C und 100 Grad C zuweist. Die Fahrenheit-Skala basiert auch auf den Gefrier- und Siedepunkten von Wasser, denen Werte von 32 F bzw. 212 F zugewiesen sind.
Wissenschaftler weltweit verwenden jedoch die Kelvin-Skala (K ohne Gradzeichen), benannt nach William Thomson, 1. Baron Kelvin, weil sie in Berechnungen funktioniert. Diese Skala verwendet das gleiche Inkrement wie die Celsius-Skala, d. H. Eine Temperaturänderung von 1 C ist gleich 1 K. Die Kelvin-Skala beginnt jedoch beim absoluten Nullpunkt, der Temperatur, bei der Wärmeenergie vollständig fehlt und alle Molekülbewegungen aufhören. Eine Temperatur von 0 K entspricht minus 459,67 F oder minus 273,15 C.
Spezifische Wärme
Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur einer bestimmten Masse eines Stoffes um einen bestimmten Betrag zu erhöhen, wird laut Wolfram Research als spezifische Wärme oder spezifische Wärmekapazität bezeichnet. Die übliche Einheit dafür sind Kalorien pro Gramm pro Kelvin. Die Kalorie ist definiert als die Menge an Wärmeenergie, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser bei 4 C um 1 Grad zu erhöhen.
Die spezifische Wärme eines Metalls hängt fast ausschließlich von der Anzahl der Atome in der Probe ab, nicht von seiner Masse. Zum Beispiel kann ein Kilogramm Aluminium etwa siebenmal mehr Wärme aufnehmen als ein Kilogramm Blei. Bleiatome können jedoch nur etwa 8 Prozent mehr Wärme aufnehmen als eine gleiche Anzahl von Aluminiumatomen. Eine gegebene Masse Wasser kann jedoch fast fünfmal so viel Wärme aufnehmen wie eine gleiche Masse Aluminium. Die spezifische Wärme eines Gases ist komplexer und hängt davon ab, ob es bei konstantem Druck oder konstantem Volumen gemessen wird.
Wärmeleitfähigkeit
Wärmeleitfähigkeit (k) ist „die Geschwindigkeit, mit der Wärme durch ein bestimmtes Material strömt, ausgedrückt als die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit mit einem Temperaturgradienten von einem Grad pro Distanzeinheit fließt“, so das Oxford Dictionary. Die Einheit für k ist Watt (W) pro Meter (m) pro Kelvin (K). Die k-Werte für Metalle wie Kupfer und Silber sind mit 401 bzw. 428 W / m · K relativ hoch. Diese Eigenschaft macht diese Materialien nützlich für Autokühler und Kühlrippen für Computerchips, da sie Wärme schnell abführen und mit der Umgebung austauschen können. Der höchste Wert von k für jede natürliche Substanz ist Diamant bei 2.200 W / m · K.
Andere Materialien sind nützlich, weil sie extrem schlechte Wärmeleiter sind; Diese Eigenschaft wird als Wärmewiderstand oder R-Wert bezeichnet, der die Geschwindigkeit beschreibt, mit der Wärme durch das Material übertragen wird. Diese Materialien wie Steinwolle, Gänsedaunen und Styropor werden zur Isolierung von Außenwänden, Wintermänteln und thermischen Kaffeetassen verwendet. Der R-Wert wird in Einheiten von Quadratfuß mal Grad Fahrenheit mal Stunden pro britischer Wärmeeinheit (ft2 · ° F · h / Btu) für eine 1 Zoll dicke Platte angegeben.
Newtons Gesetz der Abkühlung
1701 erklärte Sir Isaac Newton sein Gesetz der Abkühlung erstmals in einem kurzen Artikel mit dem Titel „Scala graduum Caloris“ („Eine Skala der Wärmegrade“) in den Philosophical Transactions der Royal Society. Newtons Aussage des Gesetzes übersetzt aus dem ursprünglichen Lateinischen als „der Überschuss der Grade der Hitze … waren in geometrischer Progression, wenn die Zeiten in einer arithmetischen Progression sind.“ Das Worcester Polytechnic Institute gibt eine modernere Version des Gesetzes als „Die Änderungsrate der Temperatur ist proportional zur Differenz zwischen der Temperatur des Objekts und der Umgebung.“
Dies führt zu einem exponentiellen Abklingen der Temperaturdifferenz. Wenn beispielsweise ein warmes Objekt innerhalb einer bestimmten Zeit in ein kaltes Bad gelegt wird, verringert sich der Temperaturunterschied um die Hälfte. Dann wird in der gleichen Zeitspanne die verbleibende Differenz wieder um die Hälfte abnehmen. Diese wiederholte Halbierung der Temperaturdifferenz wird in gleichen Zeitintervallen fortgesetzt, bis sie zu klein wird, um gemessen zu werden.
Wärmeübertragung
Wärme kann durch drei verschiedene Mittel von einem Körper auf einen anderen oder zwischen einem Körper und der Umgebung übertragen werden: Leitung, Konvektion und Strahlung. Leitung ist die Übertragung von Energie durch ein festes Material. Die Leitung zwischen Körpern erfolgt, wenn sie in direktem Kontakt stehen, und Moleküle übertragen ihre Energie über die Grenzfläche.
Konvektion ist die Übertragung von Wärme zu oder von einem fluiden Medium. Moleküle in einem Gas oder einer Flüssigkeit, die mit einem festen Körper in Kontakt kommen, übertragen oder absorbieren Wärme zu oder von diesem Körper und bewegen sich dann weg, so dass sich andere Moleküle an ihren Platz bewegen und den Prozess wiederholen können. Die Effizienz kann verbessert werden, indem die zu erwärmende oder zu kühlende Oberfläche vergrößert wird, wie bei einem Kühler, und indem die Flüssigkeit gezwungen wird, sich wie bei einem Lüfter über die Oberfläche zu bewegen.
Strahlung ist die Emission elektromagnetischer (EM) Energie, insbesondere Infrarotphotonen, die Wärmeenergie tragen. Alle Materie emittiert und absorbiert etwas EM-Strahlung, deren Nettomenge bestimmt, ob dies einen Wärmeverlust oder -gewinn verursacht.
Der Carnot-Zyklus
1824 schlug Nicolas Léonard Sadi Carnot ein Modell für eine Wärmekraftmaschine vor, das auf dem sogenannten Carnot-Zyklus basiert. Der Zyklus nutzt die Beziehungen zwischen Druck, Volumen und Temperatur von Gasen und wie ein Energieeintrag die Form verändern und außerhalb des Systems arbeiten kann.
Das Komprimieren eines Gases erhöht seine Temperatur, so dass es heißer wird als seine Umgebung. Anschließend kann dem heißen Gas mittels eines Wärmetauschers Wärme entzogen werden. Wenn Sie es dann ausdehnen lassen, kühlt es ab. Dies ist das Grundprinzip von Wärmepumpen, die zum Heizen, Klimatisieren und Kühlen eingesetzt werden.
Umgekehrt erhöht das Erhitzen eines Gases seinen Druck, wodurch es sich ausdehnt. Der Expansionsdruck kann dann zum Antrieb eines Kolbens verwendet werden, wodurch Wärmeenergie in kinetische Energie umgewandelt wird. Dies ist das Grundprinzip von Wärmekraftmaschinen.
Entropie
Alle thermodynamischen Systeme erzeugen Abwärme. Diese Verschwendung führt zu einer Zunahme der Entropie, die für ein geschlossenes System „ein quantitatives Maß für die Menge an Wärmeenergie ist, die nicht für die Arbeit zur Verfügung steht“, so das American Heritage Dictionary. Die Entropie in jedem geschlossenen System nimmt immer zu; es nimmt nie ab. Darüber hinaus erzeugen bewegliche Teile aufgrund von Reibung Abwärme, und Strahlungswärme tritt unweigerlich aus dem System aus.
Dies macht sogenannte Perpetuum Mobile unmöglich. Siabal Mitra, Professor für Physik an der Missouri State University, erklärt: „Man kann keinen Motor bauen, der zu 100 Prozent effizient ist, was bedeutet, dass man kein Perpetuum Mobile bauen kann. Es gibt jedoch viele Leute da draußen, die es immer noch nicht glauben, und es gibt Leute, die immer noch versuchen, Perpetuum Mobile zu bauen.“
Entropie ist auch definiert als „ein Maß für die Unordnung oder Zufälligkeit in einem geschlossenen System“, das ebenfalls unaufhaltsam zunimmt. Sie können heißes und kaltes Wasser mischen, aber da eine große Tasse warmes Wasser ungeordneter ist als zwei kleinere Tassen mit heißem und kaltem Wasser, können Sie es niemals wieder in heißes und kaltes Wasser trennen, ohne dem System Energie hinzuzufügen. Anders ausgedrückt, Sie können kein Ei entwirren oder Sahne aus Ihrem Kaffee entfernen. Während einige Prozesse vollständig reversibel zu sein scheinen, sind es in der Praxis keine. Die Entropie liefert uns daher einen Pfeil der Zeit: vorwärts ist die Richtung der zunehmenden Entropie.
Die vier Gesetze der Thermodynamik
Die Grundprinzipien der Thermodynamik wurden ursprünglich in drei Gesetzen ausgedrückt. Später wurde festgestellt, dass ein grundlegenderes Gesetz vernachlässigt worden war, anscheinend weil es so offensichtlich erschienen war, dass es nicht explizit angegeben werden musste. Um ein vollständiges Regelwerk zu bilden, entschieden die Wissenschaftler, dass dieses grundlegendste Gesetz aufgenommen werden musste. Das Problem war jedoch, dass die ersten drei Gesetze bereits festgelegt waren und unter ihren zugewiesenen Nummern bekannt waren. Angesichts der Aussicht, die bestehenden Gesetze neu zu nummerieren, was zu erheblicher Verwirrung führen würde, oder das herausragende Gesetz an das Ende der Liste zu setzen, was keinen logischen Sinn ergeben würde, Ein britischer Physiker, Ralph H.. Fowler, kam mit einer Alternative, die das Dilemma löste: Er nannte das neue Gesetz das „Nullte Gesetz.“ Kurz gesagt, diese Gesetze sind:
Das Nullte Gesetz besagt, dass, wenn zwei Körper im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten Körper sind, sie auch im Gleichgewicht miteinander sind. Dies etabliert die Temperatur als eine grundlegende und messbare Eigenschaft der Materie.
Das Erste Gesetz besagt, dass der Gesamtzuwachs der Energie eines Systems gleich dem Anstieg der thermischen Energie plus der am System geleisteten Arbeit ist. Diese besagt, dass Wärme eine Energieform ist und daher dem Erhaltungsprinzip unterliegt.
Das zweite Gesetz besagt, dass Wärmeenergie nicht ohne Energiezufuhr von einem Körper mit niedrigerer Temperatur auf einen Körper mit höherer Temperatur übertragen werden kann. Deshalb kostet es Geld, eine Klimaanlage zu betreiben.
Das dritte Gesetz besagt, dass die Entropie eines reinen Kristalls am absoluten Nullpunkt Null ist. Wie oben erläutert, wird Entropie manchmal als „Abfallenergie“ bezeichnet, d. H. Energie, die keine Arbeit verrichten kann, und da am absoluten Nullpunkt überhaupt keine Wärmeenergie vorhanden ist, kann es keine Abfallenergie geben. Entropie ist auch ein Maß für die Unordnung in einem System, und während ein perfekter Kristall per Definition perfekt geordnet ist, bedeutet jeder positive Wert der Temperatur, dass es Bewegung innerhalb des Kristalls gibt, die Unordnung verursacht. Aus diesen Gründen kann es kein physikalisches System mit niedrigerer Entropie geben, daher hat die Entropie immer einen positiven Wert.
Die Wissenschaft der Thermodynamik wurde über Jahrhunderte entwickelt, und ihre Prinzipien gelten für fast jedes Gerät, das jemals erfunden wurde. Seine Bedeutung in der modernen Technologie kann nicht hoch genug eingeschätzt werden.
Zusätzliche Ressourcen
- Einige der größten Köpfe der Wissenschaftsgeschichte haben zur Entwicklung der Thermodynamik beigetragen. Eine Liste bemerkenswerter Pioniere auf diesem Gebiet finden Sie auf der Website der University of Waterloo.
- Energieerziehung ist eine interaktive Lehrplanergänzung für Schüler der Sekundarstufe I.
- Eric Weissteins World of Science enthält Enzyklopädien der Astronomie, wissenschaftlichen Biographie, Chemie und Physik.
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