Zuletzt bearbeitet am 28. Januar 2017

Wärmelehre (Skizze)

Wärme

Wärme ist eine Form von Energie. Sie ist die Bewegungsenergie von den Grundbausteinen unserer Stoffe. Die Wärmeenergie eines Systems kann immer nur zu einem Teil technisch genutzt werden.

Die Wärme eines Systems wird durch die Temperatur T beschrieben. Die Temperatur ist eine Zustandsgröße.

Wir Menschen können nur Temperaturänderungen wahrnehmen. Wir verfügen über kein absolutes Temperatur-Maß (Drei-Schalen-Versuch). Auf unserer Hautoberfläche sind Wärme- und Kältepunkte unterschiedlich verteilt.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

dU = δQ + δW

Siehe auch: Kneubühl, S. 388

dU

Änderung der inneren Energie

δQ

Änderung der Wärmemenge

δW

Änderung der Arbeit

Thermodynamische Gleichungen werden i.d.R. aus der Sicht des Systems geschrieben: ist dU positiv, heißt das, das System hat innere Energie gewonnen. Formt man obige Gleichung um, ergibt sich:

−δW = −dU +δQ

Das System gibt Arbeit nach außen ab, wenn sich seine innere Energie verringert und/oder wenn Wärme zugeführt wird.

Gase

Gase sind hochüberhitzte Dämpfe, deren Temperatur hoch über der kritischen Temperatur des betreffenden Stoffes liegt.

θ_K: kritische Temperatur, in °C
θ_S: Siedetemperatur, in °C

Da tiefe Temperaturen in früher Zeit technisch nicht zu realisieren waren, sprach man oft von sog. permanenten Gasen (z.B. den Edelgasen oder der Luft). Prinzipiell ist aber jeder Stoff zu verflüssigen.

Molekular betrachtet herrscht zwischen den Gasteilchen kaum noch eine Wechselwirkung, d.h. sie können als ausdehnungslose Massenpunkte angesehen werden. Somit wird es zu einer Frage der statistischen Verteilung, wieviele Teilchen in einem bestimmten Volumen zu erwarten sind.

Isobare Zustandsänderungen

Bei isobaren Zustandsänderungen bleibt der Druck konstant:

• Gasdruck und Gegendruck sind im Gleichgewicht
• anschaulich: beweglicher Kolben mit festem Gewicht

Es gilt das Gesetz von GAY-LUSSAC:
v ~ T
Dabei ist:
v: spezifisches Volumen
T: absolute Temperatur

Isochore Zustandsänderungen

Bei isochoren Zustandsänderungen bleibt das Volumenkonstant:

• Behälter mit festen Wänden oder
• Zylinder mit festem Kolben

Es gilt:
p ~ T
Dabei ist:
p: Gasdruck
T: absolute Temperatur

Isotherme Zustandsänderungen

Bei isothermen Zustandsänderungen bleibt die Temperatur konstant:

• vollständiger Wärmeaustausch mit der Umgebung
• langsame Änderung des Zustands
• Kühlung oder Heizung

Es gilt das Gesetz von BOYLE-MARIOTTE:
p × v = const.
Dabei ist:
p: Gasdruck
v: spezifisches Volumen

Adiabatische Zustandsänderungen

Bei adiabatischen Prozessen ist das System von seiner Umwelt vollkommen wärmedicht abgeschlossen.

Isotherme Prozesse sind neben den adiabatischen Prozessen Idealisierungen. In der Realität gibt es immer einen Wärmeaustausch mit der Umgebung.

Zusammenfassung: