Thermodynamik

[…] [Z]wei Systeme, die im Energieaustausch zueinander stehen, [streben] immer einen thermodynamischen Gleichgewichtszustand an […]. Das hei[ss]t, dass sich die Zustände der Systeme in Bezug auf Temperatur, Druck und Volumen angleichen.¹⁾

[…] Energie [kann] weder erschaffen noch vernichtet werden […]. Energie lässt sich nur in verschiedene Formen umwandeln oder übertragen. In einem geschlossenen System ist die Energie deshalb immer konstant.²⁾

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz der Thermodynamik) beschreibt, in welcher Form (Entropie, reversible, irreversible) und in welcher Richtung (bis gleich warm) Energie von einem zum anderen System übertragen wird. Das Prinzip ergänzt somit den ersten Hauptsatz, welcher besagt, dass Energie übertragen werden kann.³⁾

Ein Stoff kann nicht auf den absoluten Nullpunkt $0K, \:-273.15°C$ abgekühlt werden.

• Wärme ist die Energie, die zwischen zwei Systemen aufgrund unterschiedlicher Temperaturen übertragen wird. Sie wird in der Einheit Joule $J$ angegeben.
• Die gesamte Energie, die in einem System oder einem Körper vorhanden ist, wird als innere Energie bezeichnet. Sie beinhaltet die kinetische und potenzielle Energie.
• Die spezifische Wärmekapazität beschreibt die Energie, die benötigt wird, um ein $1kg$ eines um $1K$ zu erwärmen. Sie trägt die Einheit $J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$.
• Latente Wärme ist die Wärme, die zugeführt oder abgeführt wird, um den Zustand eines Stoffes zu ändern, ohne dass sich seine Temperatur ändert.
• Bei Kreisprozessen handelt es sich um mehrere periodisch ablaufende Zustandsänderungen. Das heisst, dass immer wieder der Ausgangszustand erreicht wird. $$Anfangszustand=Endzustand$$ Die thermodynamischen Kenngrössen wie Druck, Volumen, Temperatur und Entropie erreichen also immer wieder den Ausgangszustand.⁴⁾
• Die Volumenarbeit ist die Arbeit die verrichtet werden muss, um das Volumen $V_1$ auf das Volumen $V_2$ zu komprimieren oder zu vergrössern. Wenn das Volumen komprimiert wird, muss Arbeit geleistet werden. Umgedreht wird Arbeit bzw. Energie frei.
• Bei einer adiabaten Zustandsänderung wird ein System von einem Zustand in einen anderen überführt, ohne dabei Wärme mit der Umgebung auszutauschen.
• Isochor beschreibt eine Zustandsänderung, bei der das Volumen $V$ konstant bleibt.
• Bei einer isobaren Zustandsänderung bleibt der Druck $p$ im System konstant.
• Bei einer isothermen Zustandsänderung bleibt die Temperatur $T$ im System konstant.

Für ein ideales Gas gilt bei konstanter Temperatur $T$, dass Volumen $V$ und Druck $p$ umgekehrt proportional zueinander sind.

$$p \cdot V = konstant, \: T = konstant$$

Für zwei Zustände 1, 2 im System gilt, dass

$$p_1 \cdot V_1 = p_2 \cdot V_2, \: T_1 = T_2$$

Für ein ideales Gas gilt:

$$\frac{V}{T} = konstant, \: p = konstant$$

Für zwei Zustände 1, 2 gilt:

$$\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}, \: p_1 = p_2$$

Für eine ideales Gas gilt bei konstantem Druck $p$, dass der Quotient aus Volumen $V$ und Temperatur $T$ konstant ist.

$$\frac{V}{T} = konstant, \: p = konstant$$

Für zwei Zustände 1, 2 gilt:

$$\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}, \: p_1 = p_2$$

• Wärmeleitung entsteht durch direkten Kontakt zwischen Teilchen in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium.
• Wärmeströmung beschreibt die Bewegung eines Mediums (Flüssigkeit oder Gas), das die Wärme mitnimmt.
• Wärmestrahlung entsteht durch elektromagnetische Wellen (hauptsächlich Infrarotstrahlung), ohne dass ein Medium notwendig ist.

• Wärmeleitung: Vor allem in Festkörpern effizient, aber auch in Flüssigkeiten und Gasen möglich.
• Wärmeströmung: Nur in Flüssigkeiten und Gasen möglich, nicht in Festkörpern.
• Wärmestrahlung: Kann sich im Vakuum ausbreiten, aber auch in Luft oder durch andere Stoffe hindurch.

Alle Wärmeübertragungsarten haben das Ziel, thermische Energie von einem heissen zu einem kälteren Bereich zu transportieren.

• Die Wärmepumpe transportiert Wärme von kalt nach warm (heizen).
• Der Stirling-Motor wandelt Wärme in mechanische Arbeit um.
• Ein Kühlschrank transportiert Wärme von warm nach kalt (kühlen).

• Um eine Wärmepumpe zu betreiben wird mechanische Arbeit (z.B. elektrischen Strom) benötigt.
• Der Stirling-Motor nutzt Wärmeenergie (z.B. Verbrennung).
• Der Kühlschrank benötigt wie die Wärmepumpe mechanische Arbeit (z.B. elektrischen Strom).

• Alle drei Maschinen nutzen Temperaturunterschiede zur Energieumwandlung oder umgedreht. Der Stirling-Motor wandelt Wärme in mechanische Arbeit um. Der Kühlschrank und die Dampfmaschine nutzen mechanische Arbeit um Wärme von einem kälteren auf ein wärmeres Niveau zu transportieren.
• Sie arbeiten mit einem Gas oder eine Flüssigkeit, das sich ausdehnt und zusammenzieht.
• Alle drei Maschinen habe mindestens zwei Wärmeniveaus, zwischen denen Wärme fliesst.