Die Haupts

1
Die Hauptsätze der Thermodynamik
prof. Rodica MoiseDeutsches Theoretisches
Lyzeum Johann Ettinger Satu Mare
2
Nullter Hauptsatz der Thermodynamik

• Gegeben seien drei Systeme A, B und C. Wenn sich
  A und B im thermischen Gleichgewicht (gleiche
  Temperatur) befinden und B im thermischen
  Gleichgewicht ist mit C, so sind A und C
  ebenfalls im thermischen Gleichgewicht. Wenn
  irgendeines dieser Systeme in Kontakt mit einem
  anderen System kommt, wird die Energie durch
  Wärmefluss gleichmässig in allen beteiligten
  Systeme verteilt, d.h. die Temperatur ist in
  allen Systemen gleich.

3
(No Transcript)
4
Erster Hauptsatz der Thermodynamik

• Das erste Gesetz der Thermodynmik konzentriert
  sich auf die Existenz der Einheit der Energie. Es
  gilt "Für jeden Prozess, der nur die
  Verschiebung einer Masse zwischen zwei
  spezifischen Höhen in einem Gravitationsfeld
  beinhaltet und keine äusseren Einflüsse auf das
  System wirken, bleibt die Grösse der Masse am
  Ende des Prozesses erhalten und ist unabhängig
  von Details des Prozesses".

5
1. Definition der Wärme

• Wenn zwei Objekte, die unterschiedliche
  Temperaturen besitzen, in Kontakt kommen, tritt
  ein thermodynamischer Prozess auf, der das
  thermische Gleichgewicht zwischen den Objekten
  herstellt. Wissenschafter erklärten dieses
  Phänomen im 18. Jahrhundert mit dem Prinzip des
  Wärmestoffs (Caloricums) oder der Wärme. Diese
  ist eine Form der Energie und kann gespeichert
  werden und in mechanische Energie überführt
  werden.
• Sie wurde in Kalorien gemessen.

6
2. Gleichheit von Arbeit

• Arbeit ist das Resultat, wenn eine Kraft auf
  einen Körper wirkt und diesen in Bewegung
  versetzt. Der Interaktion von Arbeit zwischen
  zwei Systemen kann eine bestimmte Grösse
  zugeordnet werden. Diese Zahl kann durch eine
  bestimmte Höhenänderung einer Masse in einem
  Gravitationsfeld verglichen werden. Wenn die
  Arbeit vom System verrichtet wird (einem
  steigenden Gewicht), dann hat sie ein positives
  Vorzeichen.
• Die Einheit, welche geleistete Arbeit
  kennzeichnet, ist "Joule".

7
3. Definition der Energie

• Wenn in einem System Arbeit verrichtet wirk,
  resultiert immer eine Zustandsänderung. A sei die
  Startposition und B die Schlussposition. In A
  existiert eine Gewisse Energie (EA), die Arbeit
  (W) benötigt, um nach B zu gelangen und dort eine
  andere Energie (EB) zu besitzen.
• Deshalb gilt EA W EB.

8
4. Energieerhaltung

• Besagt, dass die Energie nur von einer Form in
  eine andere überführt werden kann. Sie kann nicht
  geschaffen oder zerstört werden. Aus diesem Grund
  ist die Summe aus der Wärme, die auf ein System
  übertragen wurde und der Arbeit, die am System
  verrichtet wurde, gleich der inneren Energie des
  Systems. Dieses Gesetz jedoch kann nicht auf
  nukleare Energie angewendet werden, da diese
  produziert wird, wenn Atome einer Materie
  fusionieren oder gespalten werden. Der
  Energieerhaltungssatz wird oft zusammen mit dem
  Massenerhaltungssatz kombiniert. Dies ist darum
  der Fall, da Materie in Energie umgewandelt
  werden kann.

9
5. Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile erster
Art

• Ein Perpetuum Mobile erster Art (pmm1) ist ein
  hypothetisches System, das keine Energie
  benötigt, um Arbeit zu verrichten. Dagegen ist
  bekannt, dass eine Maschine Energie braucht, um
  Arbeit verrichten zu können. Deshalb ist das ppm1
  eine unmögliche Maschine.

10
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

• Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik befasst
  sich vor allem mit den Gleichgewichtzuständen von
  Systemen und mit den Prozessen, die
  Zustandsänderungen zwischen Systemen ergeben. Das
  Wort Gleichgewicht bedeutet, dass der Zustand
  eines Systems unverändert bleibt, während es von
  anderen Systemen isoliert ist, die in der
  Umgebung gefunden werden könnten. Es heisst
  "Unter allen erlaubten Zuständen eines Systems
  mit spezifischen Werten von Energie, Zwang und
  Partikelzahl ist nur eines in konstantem
  Gleichgewichtszustand". Andere Hypothesen wurden
  aus dem Hauptsatz ausgeschlossen.

11
Formulierung von Clausius

• Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges
  Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem
  Körper niederer auf einen Körper höherer
  Temperatur ist

12

• Einfacher ausgedrückt Wärme kann nicht von
  selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf
  einen Körper höherer Temperatur übergehen. Diese
  Aussage scheint zunächst überflüssig zu sein,
  denn sie entspricht der alltäglichen Erfahrung,
  wie die über die Anziehungskraft der Erde.
  Dennoch ist sie äquivalent zu allen weiteren,
  weniger selbstverständlichen" Aussagen, denn
  alle Widersprüche zu den anderen Aussagen lassen
  sich auf einen Widerspruch zu dieser zurückführen.

13
Formulierung von Kelvin, Lord William Thomson

• Es gibt keine Zustandsänderung, deren einzige
  Ergebnisse das Abkühlen eines Körpers und das
  Heben eines Gewichtes sind.

14
(No Transcript)
15
Carnot-Prozess

• Es gibt keine Wärmekraftmaschine, die bei
  gegebenen mittleren Temperaturen der Wärmezufuhr
  und Wärmeabfuhr einen höheren Wirkungsgrad hat
  als der aus diesen Temperaturen gebildete
  Carnot-Wirkungsgrad.

16
1. Zustandsprinzip

• Wie bekannt ist, bezieht sich der
  Gleichgewichtszustand eines Systems auf die Werte
  von Energie, Zwang und Partikelzahlen in eben
  diesem System. Das Zustandsprinzip besagt, dass
  die Werte jeder Eigenschaft eines Systems in
  einem Gleichgewichtszustand nur durch eine
  Funktion der Werte von Energie, Zwang und
  Partikelzahl beschrieben werden kann.

17
2. Reversible und irreversible Prozesse

• Wenn ein System und seine Umwelt
  Zustandsänderungen erfahren könne und das System
  fähig ist, seinen ursprünglichen Zustand wieder
  zu erreichen, wird dies ein reversibler Prozess
  genannt. Auf der anderen Seite, wenn ein System
  von seinem ursprünglichen Zustand zu einem festen
  Gleichgewichtszustand übergeht, ohne
  Beeinflussung der Umwelt, so wird dies ein
  irreversibler Prozess genannt.

18
3. Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile zweiter
Art

• Ein System in einem festen Gleichgewichts-zustand
  kann keine Arbeit verrichten, sondern nur
  aufnehmen. Wenn ein System in einem festen
  Gleichgewichtszustand Arbeit verrichten könnte,
  würde es in einen Nicht-Gleichgewichtszustand
  wechseln, ohne Beeinflussung der Umwelt. Diese
  unmögliche Annahme ist der Grundsatz des
  Perpetuum Mobile zweiter Art (ppm2). Es ist eine
  Maschine, die Arbeit aus einem Gleichgewichtszusta
  nd verrichtet.

19
4. Gemeinsamer Gleichgewichtszustand

• Wenn sich 2 Systeme A und B in einem gemeinsamen
  Gleichgewicht befinden, befinden sich beide auch
  in einem festen Gleichgewichtszustand. Weiter,
  wenn der Zustand eines der Systeme geändert wird,
  wenn A und B verbunden sind, ändert der Zustand
  des zweiten Systems ebenfalls.

20
5. Definition der Entropie

• Die Entropie ist ein Mass für die Unordnung in
  einem System oder ein Mass, wie nahe ein System
  dem Gleichgewicht ist. Sie liefert den Wert,
  wieviel thermische Energie zur Verrichtung von
  Arbeit vorhanden ist. Dies bedeutet, je weniger
  Entropie, desto weniger Energie zur Verfügung.
  Der zweite Hauptsatz besagt, dass die Entropie
  nicht von alleine abnehmen kann. Als Folgerung
  dieses Satzes gilt, dass eine Maschine nur Arbeit
  verrichten kann, wenn Wärme abgeführt wird, mit
  anderen Worten Eine Maschine funktioniert nur,
  wenn sie gekühlt wird

21
Dritter Hauptsatz der Thermodynamik

• Aufgrund des zweiten Satzes wird der absolute
  Nullpunkt in einer absoluten Temperaturskala mit
  einbezogen. Der dritte Hauptsatz besagt, dass der
  absolute Nullpunkt durch kein Verfahren erhalten
  werden kann. Es ist nur möglich, sich dem
  absoluten Nullpunkt zu nähern, aber unmöglich,
  ihn zu erreichen. Der dritte Hauptsatz definiert
  auch den Wert null Entropie, indem er angibt,
  dass alle Körper am absoluten Nullpunkt die
  gleiche Entropie haben.

22

• Vielen Dank !