Grundlagen der Thermodynamik: Gesetze, Prozesse und Zyklen

Thermodynamik: Definition und Grundlagen

Die Thermodynamik ist die Wissenschaft, die sich mit der Umwandlung von Wärme in Arbeit oder dem umgekehrten Prozess, der Umwandlung von Arbeit in Wärme, beschäftigt.

Thermodynamisches Gleichgewicht

Ein System befindet sich im thermodynamischen Gleichgewicht, wenn keine resultierende Kraft auf das System wirkt und die Temperatur des Systems gleich der Temperatur der Umgebung ist.

Die Hauptsätze der Thermodynamik

Das 1. Gesetz der Thermodynamik (Energieerhaltung)

Das 1. Gesetz der Thermodynamik ist eine Wiederholung des Grundsatzes der Erhaltung der Energie.

Mathematisches Postulat des 1. Gesetzes

In einem thermodynamischen Prozess ist die vom System absorbierte Netto-Wärmemenge (ΔQ) gleich der Summe der vom System geleisteten thermisch äquivalenten Arbeit (ΔW) und der Änderung der inneren Energie des Systems (ΔU).

Das 2. Gesetz der Thermodynamik (Entropie)

Das 2. Gesetz der Thermodynamik besagt, dass es im Rahmen eines Prozesses zu einem Energieverlust durch Reibungskräfte oder andere dissipative Kräfte kommt. Ein Motor mit 100% Effizienz, der die gesamte Wärmezufuhr in nutzbare Arbeit umwandelt, ist nicht möglich.

Thermodynamische Zustandsänderungen

Isochore Zustandsänderung

Eine isochore Zustandsänderung ist eine, bei der das Volumen des Systems konstant bleibt (da keine Arbeit geleistet wird). Daher gilt:

• W = 0
• ΔQ = ΔU

Isotherme Zustandsänderung

Eine isotherme Zustandsänderung ist eine, bei der die Temperatur des Systems konstant bleibt. Da die innere Energie des Systems bei konstanter Temperatur unverändert bleibt, gilt:

• ΔU = 0
• ΔQ = ΔW

Wichtige Begriffe und Zyklen

Motor-Wirkungsgrad

Der Motor-Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen der Arbeitsleistung und dem Wärmeeintrag.

Kühlschrank (Wärmepumpe)

Ein Kühlschrank ist eine Wärmekraftmaschine, die in umgekehrter Richtung arbeitet.

Carnot-Prozess

Der Carnot-Prozess ist ein idealer, reversibler thermodynamischer Zyklus zwischen zwei Temperaturquellen, bestehend aus vier Prozessen, bei dem die Leistung maximiert wird.

Carnot-Wärmekraftmaschine

Die Carnot-Wärmekraftmaschine ist eine ideale Maschine, die frei von den typischen Problemen realer Wärmekraftmaschinen (z. B. Wärmeverluste durch Wärmeleitung) ist. Die Carnot-Maschine besitzt die maximal mögliche Effizienz. Der Wirkungsgrad einer realen Maschine kann mit dem der Carnot-Maschine verglichen werden, wenn sie zwischen denselben Temperaturen betrieben wird.

Otto-Zyklus

Der Otto-Zyklus ist der ideale thermodynamische Zyklus, der in Verbrennungsmotoren eingesetzt wird.