Big Bang HTL 4, Schulbuch

82 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) Hauptsätze der Thermodynamik 7 Thermodynamik ist der wissenschaftliche Ausdruck für Wärmelehre (gr. „thermos“ bedeutet warm). Im Band NAWI I hast du bereits Grundlagen dazu gelernt. Im Prinzip geht es dabei um die ungeordnete Bewegung von Atomen und Molekülen. In diesem Kapitel geht es um zwei ganz wichtige Eckpfeiler der Physik: Die ersten zwei Hauptsätze der Wärmelehre. 7.1 Caloricum 1. Hauptsatz der Thermodynamik In diesem Kapitel geht es um eines der wichtigsten oder sogar um das wichtigste Gesetz der Physik: Es geht um den Energieerhaltungssatz und somit auch um den 1. Hauptsatz der Thermodynamik. Die Idee, dass Erwärmung mit der Zunahme der ungeordne- ten Bewegungsenergie der Teilchen eines Objekts zu tun hat, hatte man schon Ende des 17. Jahrhunderts. Es gab aber daneben die Vermutung, dass es sich bei Wärme um eine Flüssigkeit handelt, die von einem Gegenstand zum ande- ren fließt. Man nannte sie Caloricum oder Phlogiston ! Die meisten Gelehrten am Ende des 18. Jh. vertraten diese zwei- te Ansicht. Die Idee der „Wärmeflüssigkeit“ war ziemlich schlüssig, hatte aber ein große Schwachstelle: Man konnte mit ihr nicht erklären, wie es durch Reibung zur Wärme- bildung kommen kann ( F3 ). Dann müsste das Caloricum ja praktisch aus dem Nichts in die geriebenen Stoffe fließen! Das Rennen dieser beiden Hypothesen war offen, bis 1842 R OBERT M AYER den Energie- erhaltungssatz formulierte (siehe Kap. 7.6, NAWI 1): Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in eine andere Form umgewandelt werden. Wenn man die Wärme mit einbezieht, dann gelangt man zum 1. Hauptsatz der Wärmelehre. Für die meisten Fälle gilt eine einfache und sehr verständliche Version: Man kann die Temperatur eines Stoffes durch Arbeit oder Wärme erhöhen. Wärme ist dem- nach also nichts anderes als die Übertragung von Energie! Info: CLIL – Internal energy Nimm an, du hast einen Tonklumpen in der Hand. Du kannst ihn erwärmen, indem du ihn immer wieder aufhebst und zu Boden fallen lässt. In diesem Fall erhöhst du die ungeord- nete Bewegungsenergie in seinem Inneren durch Zufuhr von geordneter Bewegungsenergie ( F2 ). Was besagt der Energieerhaltungssatz? Schau nach in Kapitel 7.6, NAWI I! Wärme ist nichts anderes, als durcheinander gebrach- te Bewegungsenergie! Was ist mit dieser Aussage gemeint? Schlag nach in Kap. 14.1, NAWI I! Was ist der Unterschied zwischen Arbeit und Energie? Lies nach in Kap. 7.1, NAWI I). Früher dachte man, Wärme sei eine Art Flüssigkeit, die von einem wärmeren in einen kälteren Gegenstand fließt. Versuche, Argumente dagegen zu finden! F1 F2 F3 Durch den Aufprall kommt diese dann in Unordnung. Man kann auch sagen: Arbeit wird auf den Ton übertragen (Abb. 7.1 a). Du kannst den Tonklumpen aber auch erwär- men, indem du ihn zum Beispiel in warmes Wasser legst. In diesem Fall erhöhst du die ungeordnete Bewegungsenergie in seinem Inneren durch Zufuhr von ungeordneter Bewe- gungsenergie von außen. Man kann auch sagen: Wärme fließt auf den Ton über (Abb. 7.1 b). Abb. 7.1: Erhöhung der Temperatur des Tonklumpens durch Zufuhr von Arbeit: a) Fallenlassen; b) Wasserbad Man kann es auch ganz salopp so formulieren: Die Menge der Joule im Universum ist konstant. Erhöhung der Tempera- tur bedeutet, dass sich die Joule in einem Objekt erhöhen, nämlich um jene, die in der ungeordneten Bewegungsener- gie stecken. Deshalb muss es bei der Übertragung von Wärme oder Arbeit zu einer Übertragung von Joule kommen. Deshalb ist klar, dass Wärme und Arbeit ebenfalls in Joule zu messen sind. Wärme ist also nicht der Fluss eines Calori- cums, sondern der Fluss von Joule und somit von Energie. CLIL – Internal energy This simple formulation of the first law of thermodynamics applies as long as no phase transition takes place. For if, for example, boiling water continues to be supplied with ener- gy, it will evaporate, but the temperature will not increase. For these special cases, one has to formulate the first law of thermodynamics more precisely: the internal energy ( U ) of an object can be increased by supplying work ( W ) or heat ( Q ) . This is written as: ∆ U = W + Q . What is meant by internal energy ? This is the sum of the disordered kinetic energy and the binding energy between the particles in a system. In the case of boiling water, the supply of energy causes the bonds between the water mole- cules to dissolve and vapor to form. As a result, the internal energy as a whole increases, while the disordered motional energy and thus also the temperature, remains unchanged. i u45m77 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum de Verlags öbv