Thermodynamik        zurück ]      [ Stichworte ]      [ Die Hyper-Bibliothek ]      [ Systemtheorie ]         [ Meine Bücher ]

Als Thermodynamik (Wärmelehre, H. Helmholtz spricht von der "mechanischen Wärmetheorie") bezeichne ich die Lehre, die in vier Hauptsätzen Wärme und mechanische Arbeit verbindet, indem beides als Energie gemessen und so als äquivalent gesehen wird. Mit dem Ausdruck Dynamik verweise ich auf einen Prozess, in welchem die Wärme umverteilt wird, wobei ein Teil der Energie irreversibel auf ein tieferes Niveau fällt, also - auf derselben Ebene - nicht wieder genutzt werden kann (Perpetuum mobile).

bild

Zur Geschichte derThermodynamik:
Durch die Erfindung der Dampfmaschine wurde ein Zusammenhang zwischen Wärme und physikalischer Arbeit nutzbar gemacht, der in der Thermodynamik beschrieben wird. Sie macht Aussagen darüber, welche Änderungen in einem Wärme-Kraft-System möglich sind, beispielsweise welche Prozesse ablaufen können, und welche Druck- und Temperaturbedingungen dabei erforderlichen sind. Insbesondere beschreiben Gleichungen wie Druck, Temperatur und Volumen zusammenhängen - was eben bei Dampfmaschinen das Wesen betrifft.

Der französische Ingenieur Nicolas Carnot untersuchte 1824 die Wärmemengen einer Dampfmaschine. Er stellte fest, dass heißer Wasserdampf ein kälteres Wasserresvoir erwärmt und dabei mechanische Arbeit geleistet wird. Carnot vermutete, dass bei diesem Prozess keine Wärme verloren geht. Carnot beschrieb die Vorgänge in der Dampfmaschine als Kreisprozess, die später von B. Clapeyron in mathematischer Form dargestellt wurde (Carnot-Kreisprozess).

Die Thermodynamik beobachtet,

Julius Robert von Mayer (1814-1878) formulierte 1842 und Hermann von Helmholtz 1847, dass Arbeit und Wärme einander äquivalent sind und im Verhältnis 427 kpm = 1 kcal, ineinander überführt werden können. Dieser Aussage wird als Erster Hauptsatz der Wärmelehre bezeichnet. (In seinem (Mayers) Büchlein "Die organische Bewegung im Zusammenhang mit dem Stoffwechsel" (1845) konnte er den Zahlenwert des Wärmeäquivalents noch präzisieren, anfangs mit 365 kpm = 1 kcal, später auf 425 kpm verbessert; die genaue Zahl ist 427 kpm. Diese Relation besagt, dass Arbeit und Wärme einander äquivalent sind und als verschiedene Energieformen in dem oben genannten, immer gleichen Verhältnis, ineinander übergeführt werden können. Dieser Satz wird als Erster Hauptsatz der Wärmelehre bezeichnet und war der Vorreiter des allgemeinen Energieerhaltungssatzes, den Hermann von Helmholtz 1847 formulierte.)
Beide sprachen nur von Arbeit, sie hatten noch keinen Begriff für Energie, obwohl sie diesem Begriff die Grundlage gaben.
"Energie" im heutigen Sinn wurde 1852 von W. Rankine eingeführt und von "Kraft" unterschieden, während Helmholtz noch von Krafterkhaltung gesprochen hat, also die Differenz noch nicht beobachtet hat

Rudolf Clausius verknüpfte 1854 die Ideen von Mayer und Carnot, er formuliert den „Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik“.
„Es gibt keine periodisch arbeitende funktionierende Maschine, die nichts anderes tut, als Wärme in mechanische Arbeit zu verwandeln.“
Er zeigte, dass beim Betreiben einer Dampfmaschine immer Wärme von einem wärmeren Reservoir auf ein kälteres Reservoir fließt und damit die Grundthese von Carnot korrekt ist. Jedoch bleibt die Wärmeenergie nicht konstant – wie Carnot annahm - , sondern sie wird zum Teil in mechanische Arbeit umgewandelt. Clausius stellte fest, dass die Wärmeenergie einer Maschine (Dampfmaschine) immer nur zu einem Teil in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann, der andere Teil der Energie wird an die Umgebung abgegeben. Der Wirkungsgrad einer Maschine bestimmt das Umwandlungsverhältnis von mechanischer Energie in Wärme.

Kurze Zusammenfassung der Hauptsätze
0. Hauptsatz: Stehen zwei Systeme jeweils mit einem dritten im thermodynamischen Gleichgewicht, so stehen sie auch untereinander im Gleichgewicht.
1. Hauptsatz: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energiearten umgewandelt werden.
2. Hauptsatz: Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar.
3. Hauptsatz: Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist unerreichbar.

Literatur:
Schuller, D: Themodynamik (Ganzes Buch, PW).


 
[wp]