Thermodynamik


Thermodynamik
Wärmelehre

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Ther|mo|dy|na|mik 〈f.; -; unz.〉 theoretische Wärmelehre, die sich mit den durch Wärme hervorgerufenen Erscheinungen befasst [<grch. thermos „warm, heiß“ + Dynamik]

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Thẹr|mo|dy|na|mik [griech. dýnamis = Stärke, Kraft], die; -; Syn.: Wärmelehre: Teilgebiet der Physik u. der physikal. Chemie, das sich – als klassische oder phänomenologische T. auf der Grundlage der sog. Hauptsätze der T. – beschäftigt mit der Beschreibung von Zuständen u. Zustandsänderungen thermodynamischer Systeme, u. zwar unter Verwendung von Zustandsgrößen wie Druck, Volumen, Temp. u. Zustandsfunktionen wie innere Energie, Enthalpie, Entropie etc. Untersuchungsthemen der T. sind haupts. Gleichgewichtszustände u. Prozesse, die mit dem Austausch von Wärmeenergie, Arbeit u. Entropie innerhalb der Systeme oder mit deren Umgebung verbunden sind. Die statistische T. berücksichtigt vermehrt den atomaren Aufbau der Stoffe, u. die T. irreversibler Prozesse beschäftigt sich vorwiegend mit offenen Systemen im Ungleichgewichtszustand.

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Ther|mo|dy|na|mik , die; -:
Untersuchung des Verhaltens physikalischer Systeme bei Temperaturänderungen, bes. beim Zu- und Abführen von Wärme.

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Thermodynamik,
 
Teilgebiet der Physik, das, ausgehend von der Untersuchung der Wärmeerscheinungen (im engeren Sinn der Wärmelehre), alle mit Energieumsetzungen unterschiedlichster Art verbundenen Vorgänge und deren Anwendungen untersucht. Untersuchungsobjekt der Thermodynamik ist das real oder modellhaft betrachtete thermodynamische System, ein geeignet abgegrenztes Raumgebiet mit der in ihm enthaltenen Materie. Die Größe des Systems muss makroskopisch sein, insbesondere muss ihm eine Temperatur zugeordnet werden können. Die gedachten oder materiellen Grenzen trennen es von seiner Umgebung. Ein durchweg gleichartig beschaffenes System heißt homogen, ein aus mehreren Phasen bestehendes heterogen. Nach dem Charakter des Systems, seiner Grenzen und seiner Wechselwirkung mit der Umgebung spricht man von einem abgeschlossenen, geschlossenen oder offenen System (physikalisches System).
 
Bei der physikalischen Betrachtung wird, abhängig vom Systemcharakter und der methodischen Vorgehensweise, zwischen der klassischen (phänomenologischen) Thermodynamik, der statistischen Thermodynamik und der Thermodynamik irreversibler Prozesse unterschieden. Neben den physikalischen Grundlagen unterscheidet man nach den Hauptanwendungsgebieten weiterhin die technische Thermodynamik, die sich mit der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie unter Einsatz von Wärmekraftmaschinen u. a. energietechnischer Anlagen (z. B. Turbinen, Pumpen, Motoren), aber auch der Kälte- und Heizungstechnik beschäftigt, und die chemische Thermodynamik (Thermochemie), die v. a. die Wechselbeziehungen zwischen Wärme und Stoffumwandlungen bei chemischen Reaktionen behandelt.
 
Die klassische (phänomenologische) Thermodynamik verknüpft, ausgehend von fundamentalen Erfahrungssätzen, den Hauptsätzen der Thermodynamik, verschiedenen, der Messung unmittelbar zugänglicher Eigenschaften der Materie wie Druck, Temperatur, Stoffmenge, Volumen, spezifische Wärmekapazität, Reaktionswärme oder verrichtete Arbeit. Sie beschränkt sich auf die makroskopische Beschreibung von (idealisierten) Prozessen, die nur Gleichgewichtszustände durchlaufen (näherungsweise durch eine quasistatische Prozessführung zu verwirklichen). Der Zustand eines (im Allgemeinen abgeschlossenen) thermodynamischen Systems ist dabei durch Angabe bestimmter unabhängiger, makroskopischer Variablen festgelegt (Zustandsgrößen, thermodynamische Funktionen), die durch Zustandsgleichungen miteinander verknüpft sind. Die Hauptsätze der Thermodynamik werden als Postulate formuliert, die jedoch von allen experimentellen Erfahrungen gestützt werden:
 
Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik besitzt jedes System eine extensive Zustandsgröße, die innere Energie U, die sich nur durch Energieaustausch mit der Umgebung (Wärmeaustausch, Volumenarbeit) ändert. Der 1. Hauptsatz bezieht in das Prinzip von der Erhaltung der Energie (Energiesatz) auch die Wärme als eine besondere Form der Energie ein, da mechanische Arbeit in Wärme (z. B. durch Reibung) und Wärme in Arbeit (z. B. in einer Wärmekraftmaschine) umgewandelt werden kann, und die umgewandelten Arbeits- und Wärmebeträge einander äquivalent sind. Für die Änderung der inneren Energie eines Systems gilt nach dem 1. Hauptsatz ΔU = ΔQ + ΔW, wobei zugeführte Wärmemengen ΔQ und Arbeitsbeiträge ΔW positiv, abgeführte negativ gerechnet werden. Insbesondere ist die innere Energie eines abgeschlossenen Systems konstant. Anders formuliert besagt der 1. Hauptsatz, dass die Konstruktion einer Maschine, die aus dem Nichts Arbeit leistet (Perpetuum mobile 1. Art), unmöglich ist.
 
Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz) gibt die Richtung thermodynamischer Zustandsänderungen an. Er kann unter verschiedenen Gesichtspunkten formuliert werden, u. a.: 1) Jedes System besitzt eine extensive Zustandsgröße, die Entropie S, die sich nur durch Wärme- oder Stoffaustausch mit der Umgebung und durch irreversible Prozesse im Systeminnern ändert. Die Änderung ΔS der Entropie in einem thermisch isolierten, abgeschlossenen System ist niemals negativ, d. h., es gilt ΔS ≧ 0. 2) Wärme kann niemals spontan, d. h. ohne Einwirkung von außen, von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergehen (clausiussches Prinzip). 3) Der von selbst verlaufende Wärmeübergang von höherer zu tieferer Temperatur (Wärmeleitung) oder die Erzeugung von Wärme durch Reibung kann in keiner Weise rückgängig gemacht werden, ohne dass andere Veränderungen der Natur zurückbleiben (irreversible Prozesse). 4) Eine periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die Wärme in mechanische Arbeit unter Abkühlung eines Wärmespeichers umwandelt, ohne in der übrigen Umgebung Veränderungen zu bewirken (Perpetuum mobile 2. Art) ist unmöglich. 5) Die Umwandlung von Wärme in Arbeit bei einem periodisch wirkenden Prozess (Kreisprozess, Maschine) ist nur möglich, wenn dabei Wärme von höherer (T1) zu tieferer Temperatur (T2) übergeht; nicht die ganze bei der höheren Temperatur verbrauchte Wärme Q1 wird in Arbeit W umgewandelt, sondern nur ein Teil davon. Der Rest Q2 = Q1W wird bei der tieferen Temperatur wieder abgegeben. Der thermodynamische Wirkungsgrad η eines solchen Prozesses ist bestenfalls η = W / Q1 = 1 — T2 / T1 (Carnot-Prozess). - Bei einem mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad arbeitenden Kreisprozess ist die Größe Q1 / T1, die Entropiezunahme des dem Prozess unterworfenen Systems am oberen Reservoir, gleich der Entropieabnahme Q2 / T2 am unteren Reservoir, die Entropie hat sich also nicht geändert; solche Prozesse nennt man reversibel. Mithilfe der Entropie ergibt sich als Formulierung für den 1. Hauptsatz die gibbssche Fundamentalgleichung dU = T dSp dV (p Druck, V Volumen). Bei irreversiblen Prozessen wird die Entropie vermehrt. Von selbst ablaufende Prozesse in abgeschlossenen Systemen sind immer mit einer Entropiezunahme verbunden. Sie laufen so weit, bis ein weiterer Umsatz eine Entropieabnahme zur Folge hätte; das Maximum der Entropie kennzeichnet den thermodynamischen Gleichgewichtszustand.
 
Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik ist der nernstsche Wärmesatz. Als nullter Hauptsatz der Thermodynamik wird auch die grundlegende Aussage bezeichnet, dass zwei Systeme, die im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System stehen, sich auch untereinander im thermischen Gleichgewicht befinden (Transitivität). Daraus folgt die Existenz der Temperatur als neben den mechanischen Größen (Druck, Volumen) neue, intensive Zustandsgröße, die in Gleichgewichtssystemen überall gleich ist.
 
Die statistische Thermodynamik berücksichtigt im Gegensatz zur klassischen Thermodynamik den atomaren Aufbau der Materie und leitet im Rahmen der statistischen Mechanik daraus die makroskopischen Gesetze der Thermodynamik ab. Das Verhalten des thermodynamischen Systems als Ganzes lässt sich damit auf das Verhalten der einzelnen Teilchen (z. B. Atome, Moleküle) zurückführen, aus denen es sich zusammensetzt. Nichtgleichgewichte werden in der Thermodynamik irreversibler Prozesse untersucht. Sie erlaubt als Erweiterung der klassischen Thermodynamik die quantitative Beschreibung irreversibler Prozesse und ihres Zeitverlaufs bei thermodynamischen Systemen, die sich nicht im thermischen Gleichgewicht befinden sowie v. a. die Untersuchung offener Systeme; von großer Bedeutung hierbei ist der Entropieaustausch des Systems mit seiner Umgebung. Zur formalen Beschreibung werden die thermodynamischen Kräfte eingeführt. Die Thermodynamik irreversibler Prozesse findet insbesondere Anwendung in der Theorie der Transporterscheinungen.
 
 
Ausgangspunkt der Thermodynamik sind die Überlegungen von N. L. S. Carnot (1824) über die Arbeitsfähigkeit der Wärme, die er anhand von reversiblen Kreisprozessen (Carnot-Prozess) anstellte und die von B. P. E. Clapeyron (1834) fortgeführt wurden. W. Thomson (später Lord Kelvin) definierte über den Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses 1848 die thermodynamische Temperaturskala. Nach bedeutenden Vorarbeiten durch J. R. Mayer (Äquivalenz von Wärme und Arbeit 1842) und J. P. Joule (Bestimmung des mechanischen Wärmeäquivalents, erstmals 1843) sowie der Aufstellung des allgemeinen Satzes der Erhaltung der Energie durch Mayer (1845) gab H. von Helmholtz 1847 die mathematische Formulierung des Energiesatzes und damit des 1. Hauptsatzes. R. Clausius und Thomson stellten um 1850 den 2. Hauptsatz auf, den Clausius 1865 durch Einführung der Entropie neu formulierte. Das Bestreben, die Thermodynamik auf die Mechanik zu gründen, verknüpfte die Entwicklung der Thermodynamik eng mit der Entwicklung der kinetischen Gastheorie und der statistischen Mechanik. Die Grundlagen für die chemische Thermodynamik wurden v. a. von J. W. Gibbs mit der Einführung verschiedener thermodynamischen Potenziale und der Phasenregel für mehrphasige Systeme (1876) gelegt. Zu den Begründern der technischen Thermodynamik zählen W. Rankine und G. A. Zeuner. 1906 stellte W. H. Nernst den 3. Hauptsatz auf, dem M. Planck 1911 eine allgemeine Fassung unter Benutzung des Entropiebegriffs gab. Die Formulierung der Thermodynamik irreversibler Prozesse geht auf L. Onsager (1931) zurück; dieser Bereich der Thermodynamik wurde in neuerer Zeit v. a. von I. Prigogine weiterentwickelt.
 
 
G. Kortüm u. H. Lachmann: Einf. in die chem. T. (71981);
 R. Becker: Theorie der Wärme (31985);
 K.-F. Knoche: Techn. T. (41992);
 K. Stephan u. F. Mayinger: T. Grundlagen u. techn. Anwendungen, 2 Bde. (13-141992);
 
Grundlagen der techn. T., Beitrr. v. N. Elsner u. a., 2 Bde. (81993);
 C. Kittel u. H. Krömer: Physik der Wärme (a. d. Engl., 41993);
 R. Reich: T. (21993);
 H. D. Baehr: T. Eine Einf. in die Grundlagen u. ihre techn. Anwendungen (91996).
 

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Ther|mo|dy|na|mik, die; -: Untersuchung des Verhaltens physikalischer Systeme bei Temperaturänderungen, bes. beim Zu- und Abführen von Wärme.

Universal-Lexikon. 2012.

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