Grundlagen der Thermodynamik und Wärmelehre

Venturi-Rohr

Das Venturi-Rohr wird verwendet, um die Geschwindigkeit von Flüssigkeiten in einer Druckleitung zu messen. Es stützt sich auf das Bernoulli-Prinzip: Wenn eine Flüssigkeit durch diesen Abschnitt strömt, nimmt bei steigender Geschwindigkeit der Druck ab.

Grundlagen der Thermodynamik

Die Thermodynamik ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit dem Studium der Wärme sowie dem Unterschied zwischen Wärme und Temperatur befasst. Benjamin Thompson entdeckte, dass durch Reibung Wärme erzeugt wird. Wärme ist dabei die Summe der kinetischen Energie der Moleküle.

Die Temperatur ist ein Maß für die kinetische Energie der Moleküle eines Körpers. Wenn ein heißer Körper auf einen kalten trifft, gleichen sich die Temperaturen über die Zeit an, bis ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist.

Temperaturskalen und Thermometer

Ein Quecksilberthermometer nutzt die Ausdehnung von Quecksilber in einer Kapillare bei Erwärmung und dessen Kontraktion bei Abkühlung. Der Messbereich liegt zwischen -39 °C und 357 °C. Alkoholthermometer decken Bereiche von -39 °C bis -130 °C ab, während Toluol für noch tiefere Temperaturen verwendet wird.

• Fahrenheit-Skala: Daniel Fahrenheit baute 1714 das erste Thermometer. Er definierte den Gefrierpunkt einer Mischung aus Eis und Ammoniumchlorid als 32 °F und den Siedepunkt von Wasser als 212 °F.
• Celsius-Skala: 1742 eingeführt, definiert sie den Schmelzpunkt von Eis als 0 °C und den Siedepunkt von Wasser bei einem Luftdruck von 760 mm Hg als 100 °C.
• Kelvin-Skala: Sie basiert auf dem absoluten Nullpunkt, bei dem die kinetische Energie der Moleküle gleich Null ist (0 K = -273,15 °C). Es gibt keine Obergrenze.

Wärmeübertragung

Wärme ist die Energieübertragung zwischen Objekten aufgrund von Temperaturunterschieden. Die Ausbreitung erfolgt durch:

• Wärmeleitung: Ausbreitung durch feste Körper durch den Stoß der Moleküle.
• Konvektion: Ausbreitung durch strömende Fluide (Flüssigkeiten oder Gase).
• Strahlung: Ausbreitung durch elektromagnetische Wellen, auch im Vakuum, mit Lichtgeschwindigkeit (ca. 300.000 km/s).

Wärmekapazität und Ausdehnung

Die Wärmekapazität ist das Verhältnis der zugeführten Wärme zur Temperaturänderung. Je höher die Wärmekapazität eines Stoffes, desto mehr Wärme ist erforderlich, um seine Temperatur zu erhöhen. Die spezifische Wärmekapazität bezieht sich dabei auf die Masse des Stoffes.

Die meisten Körper dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Gase dehnen sich dabei stärker aus als Feststoffe.

Arten der Wärmeausdehnung

• Längenausdehnung: Bei Erwärmung wächst ein Metallstab in seiner Länge. Der Längenausdehnungskoeffizient beschreibt die Zunahme pro Grad Temperaturerhöhung.
• Flächenausdehnung: Eine Fläche vergrößert sich proportional zur Temperaturänderung.
• Volumenausdehnung (kubisch): Betrifft die Zunahme des gesamten Volumens (Länge, Breite, Höhe).
• Anomale Ausdehnung: Wasser zeigt ein unregelmäßiges Verhalten, da es sich in bestimmten Temperaturbereichen beim Abkühlen ausdehnt, anstatt sich zusammenzuziehen.