Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Thermodynamische Systeme und Zustandsgrößen Mit welchen weiteren physikalischen Größen wird der Zustand eines Körpers oder allgemeiner eines thermodynamischen Systems beschrieben? Nehmen wir als Beispiel für ein thermodynamisches System das zum Füllen von Luftballons verwendete „Ballongas“ Helium in einem Druckbehälter mit einem Volumen V = 5 Liter . Die Stoffmenge soll 40 mol (160 g He) sein. Weitere Zustands- größen charakterisieren den Zustand des Gases: Temperatur T (z. B. 20 o C ), Druck p (z. B. 200 bar ) oder die innere Energie U . Im Kapitel Mechanik/Energieerhaltung (S. 65) wurde der Begriff System einge- führt. Er ist sehr hilfreich, wenn es um den Austausch von Energie zwischen ei- nem Körper (oder mehreren Körpern), dem sogenannten System, und der Umge- bung geht. In der Thermodynamik wird vor allem das Verhalten von Systemen aus vielen Teilchen bei Energieaustausch mit der Umgebung untersucht. Besonders wichtige Zustandsgrößen sind Temperatur, Druck, Volumen und innere Energie. Kräfte zwischen den Molekülen Warum existiert Materie in verschiedenen Aggregatzuständen – als Festkörper, als Flüssigkeit und als Gas? Bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts führt die Wechselwirkung der Elektronen in den Atomhüllen zu starken Bindungen zwischen den Teilchen und dadurch zur Existenz fester Körper. Die Details der Bindungsmechanismen wur- den erst durch die Quantenphysik im 20. Jh. erklärt. Die stark aneinander gebundenen Teilchen können sich nicht frei bewegen, son- dern ordnen sich regelmäßig an und bilden feste Körper ( 79.2 ). Im Festkörper schwingen die Teilchen um feste mittlere Positionen. Bei Erwärmung werden die Schwingungen stärker. Am Schmelzpunkt beginnen die Teilchen ihre festen Plätze zu verlassen, die regelmäßige Anordnung wird zerstört, der feste Körper schmilzt und wird flüssig. Flüssigkeiten sind kaum zusammendrückbar, können sich aber jeder Gefäßform anpassen. Daher folgert man, dass ihre Teilchen weniger stark als im Festkörper aneinander gebunden sind und gegeneinander verschiebbar sind. Die thermische Bewegung der Teilchen ist weniger eingeschränkt als in einem festen Körper, sie können sich in allen Richtungen innerhalb der Flüssigkeit bewegen. Wegen der ge- genseitigen Anziehung der Teilchen besitzen Flüssigkeiten Oberflächen. Besonders schnelle Moleküle können die Flüssigkeit verlassen und befinden sich als Dampf über der Flüssigkeit. In Gasen sind die Molekülabstände so groß, dass anziehende Kräfte zwischen den Molekülen in der Regel keine Rolle spielen. Daher füllen Gase jedes verfügbare Volumen vollständig aus. Sie haben eine geringe Dichte und lassen sich leicht zu- sammen drücken. Entweder durch hohen Druck oder durch Abkühlung werden Gase flüssig: sie kondensieren . Beim Übergang in den flüssigen Zustand kommen die Moleküle einander nahe und die anziehenden Kräfte zwischen ihnen werden wichtig. Untersuche, überlege, forsche: Dichte von Flüssigkeiten und Gasen 79.1 Stickstoff ist unterhalb von −196 °C bei einem Druck von 1013 mbar flüssig. Die Dichte von flüssigem Stickstoff beträgt 810 kg/m 3 . Im gasförmigen Zustand bei 0 °C und 1013 mbar ist die Dichte 1,25 kg/m 3 . W 1 a) Was lässt sich über den Abstand der N 2 -Moleküle im flüssigen und im gas- förmigen Zustand sagen? W 1 b) Wie viele Moleküle sind jeweils im Volumen von 1 Liter enthalten? 79.1 Das Gas eines Heißluftballons stellt ein thermodynamisches System dar: Sein Zustand wird durch Größen wie Druck, Temperatur, Volumen oder innere Energie beschrieben. 79.2 Wasser im festen Aggregatzustand 79.3 Wasser im flüssigen Aggregatzustand 79.4 Wasserdampf ist Wasser im gasför- migen Zustand und unsichtbar. Luft enthält immer Wasserdampf. Wolken enthalten Wassertröpfchen und Eiskristalle und werden dadurch sichtbar. 79 | WÄRMELEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eige tum des Verlags öbv