Thermodynamik?
Könnt ihr mir bitte bei dieser Aufgabe helfen?
-im 18 und 19 Jahrhundert untersuchten viele Naturforscher die Vorgänge der Wärmeübertragung
stellen sie in einer sprachlich geschlossenen und zusammenhängenden Form die Bedeutung des 1.Hauptsatzes der Thermodynamik dar.
ich soll auf folgende Schwerpunkte eingehen.
-der erste Hauptsatz zur Beschreibung von Vorgängen
-Perpetuum mobile
-offene und geschlossene Systeme
danke
2 Antworten
„Wärme“ und "Energie" sind Begriffe aus einer Kategorie, die alle eine gemeinsame merkwürdige Eigenschaft haben. Das sind Begriffe, die solange allen Beteiligten klar sind, solange man nichts erklärt oder definiert. Versucht man den Begriff näher zu erfassen, wird er immer verschwommener und irgendwann entgleitet er einem völlig. Das was man weiß, wird immer kleiner und das, was man nicht weiß, wird immer größer. Andere Begriffe aus dieser Kategorie wären z.B. Zeit, Masse, Gravitation, Quanten, Liebe, Gott, Seele oder Schicksal. Fragt man einen Laien „Was ist das?“, erhält man eine Antwort „Das ist das und das“. Fragt man dagegen einen Fachmann, der sich schon intensiv damit beschäftigt hat, erhält man häufig die Antwort „Ich weiß es auch nicht genau!“.
Mit den Begriffen Wärme, Energie und Arbeit haben sich schon viele sehr schlaue Köpfe beschäftigt.
Schon Heron von Alexandria (wahrscheinlich 1. Jahrhundert) hatte erkannt, dass man mit Wärme mechanische Arbeit verrichten kann und baute einige Maschinen und Vorrichtungen, wie z.B. sich automatisch öffnende Tempeltüren, sobald ein Opferfeuer entzündet wird oder die erste Dampfturbine (Heronsball).
Im späten Mittelalter und zu Beginn der Neuzeit gab es dann verschiedene Versuche, die Kraft des Dampfes zu demonstrieren. Die erste praktisch nutzbare und mechanische Arbeit verrichtende Dampfmaschine wurde 1712 Thomas Newcomen gebaut, um Wasser aus Bergwerken herauszubefördern. Die Dampfmaschine wurde immer weiterentwickelt, wobei ein entscheidender Schritt James Watt 1769 gelang, indem er die Kondensation des Dampfes aus dem Arbeitszylinder herausnahm und in einen getrennten Kondensator verlagerte. Die damaligen Dampfmaschinen funktionierten durch praktische Versuche, aber warum genau, wusste niemand. Damals ging man davon aus, dass Wärme eine ganz eigene Substanz, ein Stoff sei.
Der erste, der sich mit den Zusammenhängen zwischen Wärme und mechanischer Arbeit theoretisch beschäftigte, war Sadi Carnot, der 1824 die Schrift "Réflexions sur la puissance motrice de feu et sur les machinespropres à développer cette puissance" ("Reflexionen über die Antriebskraft des Feuers und die Maschinen, um diese Kraft zu entfalten") veröffentlichte. Damit begründete Carnot die Thermodynamik. In seiner Abhandlung stellte er fest, dass Wärme nicht gleich Wärme ist und die Möglichkeit, Wärme in mechanische Arbeit umzusetzen, von der Temperaturdifferenz zwischen Arbeitsmedium (z.B. Dampf) und Umgebungstemperatur abhängt. Deshalb wurde später auch der Carnotwirkungsgrad nach ihm benannt.
Carnots Schrift blieb außerhalb Frankreichs jahrzehntelang weitgehend unbeachtet. In England gabs schon einige Zeit lang Dampfmaschinen und auch die ersten Dampflokomotiven, z.B. von George Stephenson. 1829 wurde ein Wettbewerb ausgeschrieben, wer die schnellste Lokomotive bauen kann, um dann damit die entstehende Eisenbahn in England aufzubauen. Der Sohn von George Stephenson, Robert Stephenson, war weit gereist und er war derjenige, der als einziger von allen Konstrukteuren die Schrift von Carnot gelesen hatte. Da er dadurch wusste, dass zwischen mechanischer Arbeit und Wärme ein enger theoretischer Zusammenhang besteht, baute er nicht wie die anderen Konstrukteure einen größeren Dampfkessel und Arbeitszylinder, sondern er erhöhte den Druck und damit die Arbeitstemperatur. Mit seiner Rocket gewann er deutlich den Wettbewerb und wurde in der Folge der bedeutendste Lokomotiv- und Eisenbahnbauer ganz Europas. Auch die erste Eisenbahnstrecke Deutschlands wurde 1835 von ihm gebaut incl. der Lokomotive "Adler", die eine Kopie der Rocket war.
Erst 40 Jahre nach Carnots Tod (1832) wurden seine Notizen veröffentlicht und da stellte man fest, dass er als erster die Äquivalenz von Wärme und mechanischer Arbeit formuliert hatte. Wärme konnte in Arbeit und Arbeit konnte in Wärme umgewandelt werden.
Mitte des 19. Jahrhunderts wurde die Wärme noch in Kalorien angegeben, wobei 1 Kalorie die Wärmemenge war, mit der man 1g Wasser um 1 °C erwärmen konnte. Erst 1948 wurde diese Einheit abgeschafft und durch das Joule auch für die Wärme ersetzt.
Noch bevor Carnots Notizen 1872 veröffentlich wurden, formulierte auch J. R. Mayer im Jahre 1842 dieses Prinzip, dass Wärme in Arbeit umgewandelt werden kann und umgekehrt und er formulierte auch das Äquivalenzprinzip, dass beides unterschiedliche Erscheinungsformen von Energie seien und ohne mehr oder weniger zu werden ineinander umgewandelt werden können. Basierend darauf formulierte er 1845 als erster den Energieerhaltungssatz (1. Hauptsatz der Thermodynamik).
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist der Energieerhaltungssatz. Er betrachtet ausschließlich die Quantität (Menge) von Energie. Allgemeine Formulierung: "Die Summe aller Energien, die an einem Prozess beteiligt sind, bleibt gleich".
Mathematisch ausgedrückt:
Eges = E1 + E2 + E3 ......+ En = const.
Je nachdem, welches System man betrachtet und welche Energie im System vorkommen und an Prozessen dieses Systems beteiligt sind, mus der 1. HS entsprechend formuliert werden.
So lautet er z.B. für ein ruhendes, geschlossenes System, das mit seiner Umgebung wechselwirkt:
ΔU = Q + W
In Worten: die Änderung der inneren Energie entspricht genau der Summe der zu- bzw. abgeführten Wärme und Arbeit.
Unabhängig von Mayer untersuchte J. P. Joule um die gleiche Zeit mit ziemlich ausgeklügelten Versuchen, welche Menge Wärme welcher Menge an mechanischer Arbeit entspricht. So kann man in einem geschlossenen Zylinder die Temperatur um ein bestimmtes Maß erhöhen, indem man Wärme zuführt oder indem man den Kolben hineindrückt. Nach dem Energieerhaltungssatz müssen beide Energiemengen bei gleicher Temperaturerhöhung gleich groß sein. Das ist dann das sogenannte mechanische Wärmeäquivalent. Das mechanische Wärmeäquivalent sagt also aus, welche Wärmemenge welcher Menge an mechanischer Arbeit entspricht. Diese Experimente Joules bildeten dann 60 Jahre später die entscheidende Grundlage für eine klare Definition der inneren Energie als der für den 1. Hauptsatz charakteristischen Zustandsgröße.
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Das ist so und genau das sagt der Energieerhaltungssatz aus. Energie kann immer nur von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden. In einem geschlossenen Raum, oder besser gesagt, in einem geschlossenen System bleibt der Energiegehalt immer gleich. Entzieht man einem System Energie, nimmt im gleichen Maße die Energie in dem System ab. Genau deshalb kann ein Perpetuum Mobile nicht funktionieren, das fortgesetzt Arbeit leisten kann (Perpetuum Mobile erster Art )ohne selber an innere Energie zu verlieren. Aber auch ein Perpetuum Mobile, dass keine Energie in Form von Arbeit abgibt, sondern sich nur unendlich lenge bewegt (Perpetuum Mobile 2. Art) kann praktisch nicht funktionieren. Das liegt daran, dass in der Praxis immer irgendwo Reibung auftritt. Sobald Reibung auftritt, wird mechanische Energie in Wärme umgewandelt und an die Umgebung abgegeben. Auch hierdurch wird laut Energieerhaltungssatz die mechanische Ennergie in den PM immer geringer, bis es irgendwann zum Stillstand kommt.
Ein thermodynamisches System ist ein rein menschliches Konstrukt, das die Betrachtung diverser Phänomene erleichtert. Die Systemgrenzen dürfen auch beliebig festgelegt werden und sinnvollerweise legt man die immer so fest, dass die Lösung eines Problems möglichst einfach zu finden ist. Viele haben bei der Thermodynamik deshalb Schwierigkeiten, weil ihre Methodik eine völlig andere ist als im Rest der Physik und anderen Naturwissenschaften. Während z.B innerhalb der klassischen Physik analytisch gearbeitet wird, arbeitet die Thermodynamik systemisch. Es werden Systeme betrachtet und keine Detailvorgänge. Ein System ist sozusagen eine "Black Box". Was in einem System im Detail passiert, interessiert uns nicht. Uns interessiert immer nur der Gesamtzustand des Systems, der mit den Zustandsgrößen beschrieben wird. Uns interessiert auch, was an der Systemgrenze passiert. Das was da an Stoff- und Energieaustausch passiert, ist immer ein Vorgang, ein Prozess und daher werden diese Prozesse an der Systemgrenze mit den sogenannten Prozessgrößen beschrieben.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein System zu definieren:
- geschlossenes System: es findet keine Materieaustausch an der Systemgrenze statt. Es gilt der Massenerhaltungssatz.
- adiabates System: an der Systemgrenze an der Systemgrenze findet kein Wärmeaustausch statt. Andere Energieformen wie Arbeit oder auch Materie können aber übertreten. Typisches Beispiel für ein adiabates System ist eine Isolierkanne.
- abgeschlossenes System: weder Energie noch Materie kann die Systemgrenze überschreiten. Im System gilt sowohl der Massenerhaltungssatz als auch der Energieerhaltungssatz.
- offenes System: Energie und Materie können die Systemgrenze überschreiten.
Ich schreibe dir keinen Text, aber ich will dir erklären was die Begriffe bedeuten:
- Hauptsatz der Thermodynamik: Beschreibt die Energieerhaltung in thermodynamischen Systemen. Die Energie eines geschlossenen Systems ist konstant.
Perpetuum Mobile:
Wenn man Bessler keinen Glauben schenkt, dann hat und wird dieses Gerät nie existieren. Es ist eine Konstruktion, welche, einmal in Gang gesetzt, ohne weitere Energiezufuhr ewig in Bewegung bleibt.
Offene und geschlossene Systeme:
Ein offenes System interagiert mit seiner Umgebung (Masse- und Energieaustausch).
Ein geschlossenes System kann Energie austauschen (mit seiner Umgebung) jedoch keine Materie. (Oder die von außen einwirkende Kräfte sind gegenüber den Kräften im System vernachlässigbar)