Grundlagen der Thermodynamik und Wellenlehre

Abschnitt 7: Thermodynamik

Grundlagen der Energie

• Energie: Ist das, was sich von einem Körper zum anderen bewegt, verursacht durch einen Temperaturunterschied. Wärmeenergie ist Energie im Übergang, Energie in Bewegung.
• Arbeit und Kalorien: Sind verschiedene Maßeinheiten für die Fähigkeit zur Energieübertragung zwischen zwei Körpern.
• Temperatur: Ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen, aus denen ein Körper besteht.
• Innere Energie eines Körpers: Ist die Summe der kinetischen und potenziellen Energien der Teilchen, aus denen der Körper besteht.

Temperaturskalen und Gleichgewicht

• Beziehungen zwischen thermischen Skalen:
  • T(°C) / 100 = (T(°F) - 32) / 180
  • T(K) = T(°C) + 273.15
• Thermisches Gleichgewicht: Zwei Körper befinden sich im thermischen Gleichgewicht, wenn sie die gleiche Temperatur haben.

Wärmeübertragung und Zustandsänderungen

• Mechanisches Wärmeäquivalent: Das Verhältnis beträgt: 1 J = 0,24 cal; 1 cal = 4,18 J.
• Absorbierte oder übertragene Energie bei Temperaturänderung: Die absorbierte oder übertragene Energie eines Körpers, wenn sich seine Temperatur ändert, hängt von seiner Masse, der spezifischen Wärme und der Temperaturänderung ab: Q = mcΔT.
• Energie bei Zustandsänderung: Bei einer Zustandsänderung bleibt die Temperatur konstant, und die übertragene Energie hängt von der Masse und der latenten Wärme der Zustandsänderung ab: Q = ml.

Thermische Phänomene und Maschinen

• Thermische Ausdehnung: Durch die Erhöhung der Temperatur erhöht sich die Geschwindigkeit der Teilchen und der Abstand zwischen ihnen: Der Körper dehnt sich aus.
• Energieerhaltung: Energie wird nicht vernichtet, sondern nur umgewandelt. Mit der Zeit wird sie jedoch weniger nützlich oder "entwertet".
• Thermische Maschinen: Wandeln einen Teil der thermischen Energie (Wärme) in Arbeit um. Ihr Wirkungsgrad ist oft gering. Der Wirkungsgrad η berechnet sich als: η = W / Q_zu = (Q_zu - Q_ab) / Q_zu.

Abschnitt 8: Wellenlehre

Grundlagen der Wellen

• Welle: Ist eine Störung, die sich im Raum ausbreitet, in der Regel eine Schwingung. Sie überträgt Energie von einem Ort zum anderen, ohne Materie zu transportieren.
• Energieübertragung durch eine Welle: Ist direkt proportional zum Quadrat ihrer Amplitude und zum Quadrat ihrer Frequenz.

Arten von Wellen

• Mechanische Wellen: Benötigen ein materielles Medium zur Ausbreitung und können sich nicht im Vakuum ausbreiten.
• Elektromagnetische Wellen: Breiten sich im Vakuum aus und sind dort schneller als in jedem anderen Medium.
• Longitudinalwellen: Die Schwingungsrichtung der Teilchen und die Ausbreitungsrichtung der Welle stimmen überein.
• Transversalwellen: Die Schwingungsrichtung der Teilchen steht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle.