Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Kompetenzbereich: Thermodynamik T 1 T 2 > T 1 6f3h8q Thermodynamik Links: Wolken, Meer und Eisberge – drei Aggregatzustände des Wassers. Mitte: In der mikroskopi- schen Betrachtungsweise entspricht die Temperatur der mittleren Bewegungsenergie der Teilchen. Rechts: Die Thermodynamik hilft, den Wirkungsgrad von Kraftwerken zu verbessern. In der Mechanik wird das Verhalten von Körpern untersucht, ohne die innere Struktur dieser Körper zu beachten. Wir haben im Rahmen der Mechanik den Er- haltungssatz der Energie kennen gelernt und haben an Hand der Reibung verstan- den, dass Energie in Körpern auch als innere Energie enthalten ist. Die Thermodynamik untersucht, wie Energie zwischen verschiedenen Körpern ausgetauscht wird, wie sich Körper dabei verändern – z. B. bei Erwärmung aus- dehnen oder schmelzen – und wie gespeicherte Energie z. B. in Wärmekraftma- schinen genutzt werden kann. Die Erkenntnisse der Thermodynamik reichen viel weiter und betreffen den Energieumsatz von Lebewesen ebenso wie das Wetter und die Entwicklung von Sternen. Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Betrachtungsweisen: Die makroskopische Betrachtungsweise Man untersuchte zunächst nur direkt messbare Eigenschaften der Materie wie Druck, Temperatur, Volumen usw. Damit wurde ein breites Wissen über Eigen- schaften der Materie gefunden, das in Alltag und Technik nützlich ist. Auch wenn man z. B. nicht die Ursache der Anomalie des Wassers, des Ausdehnens beim Ge- frieren, kennt, so sollte man doch wissen, welche Folgen sie hat: Bildung von Eis- decken auf Gewässern, Platzen eingefrorener Wasserleitungen u. s. w. Man erkannte, dass mechanische Energie vollständig in Wärmeenergie umgewan- delt werden kann und dass die Gesamtenergie konstant ist. Die Rückumwandlung ist jedoch nur unvollständig möglich, weshalb Verbrennungsmotoren den Großteil der eingesetzten Energie als Abwärme an die Umgebung abgeben. Die mikroskopische Betrachtungsweise Ab etwa 1860 gelang es, die Thermodynamik auf statistischen Betrachtungen aufzubauen, die vom Aufbau der Stoffe aus Atomen und Molekülen ausgehen. Möchte man den Zustand eines Körpers, z. B. der Luft im Raum, beschreiben, so sind wegen der ungeheuren Anzahl von Teilchen, die sich ungeordnet und unter- schiedlich rasch bewegen, nur statistische Mittelwerte wichtig: Die mittlere kine- tische Energie der Teilchen entspricht beispielsweise der Temperatur des Körpers. Die gesellschaftliche Bedeutung der Thermodynamik Unser Lebensstandard hängt davon ab, wie viel Energie zur Verfügung steht. Ne- ben der reichlich vorhandenen, aber technisch noch wenig genutzten Sonnenener- gie werden vor allem fossile Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) genutzt, deren Vorräte begrenzt sind. Sie stehen den Menschen in sehr ungleichem Ausmaß zur Verfügung: Hoher Energieeinsatz (und Lebensstandard) in den Industrieländern steht einem niedrigen Energieeinsatz in Entwicklungsländern gegenüber. Es wird intensiv geforscht, um Energie sparsamer und effizienter zu nutzen, z. B. über die Nutzung der Sonnenenergie durch Photovoltaik und Sonnenwärmekraft- werke oder durch die Entwicklung von Niedrigenergiehäusern. Dabei spielt die Thermodynamik eine wichtige Rolle. Nur zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv