Thermodynamik
Die Thermodynamik ist ein Zweig der Physik, der die Bewegung von Wärme zwischen verschiedenen Objekten untersucht. Die Thermodynamik untersucht auch die Veränderung von Druck und Volumen von Objekten. Ein Zweig der Mathematik, die Statistik, wird in der Thermodynamik häufig verwendet, um die Bewegung von Teilchen zu untersuchen.
Die Thermodynamik ist nützlich, weil sie uns hilft zu verstehen, wie die Welt der sehr kleinen Atome mit der großräumigen Welt, die wir täglich sehen, verbunden ist.
Die Thermodynamik hat ebenfalls zwei Hauptzweige, die klassische Thermodynamik und die statistische Thermodynamik. Eine wichtige Idee in der Thermodynamik ist die eines thermodynamischen Systems.
Ein Beispiel für ein thermodynamisches System ist ein Ziegelstein. Ein Ziegelstein besteht aus vielen Atomen, die alle ihre eigenen Eigenschaften haben. Alle thermodynamischen Systeme haben zwei Arten von Eigenschaften, umfangreiche und intensive. Bei einem Ziegelstein sind die umfangreichen Eigenschaften diejenigen, die man erhält, wenn man alle Atome addiert. Dinge wie das Volumen, die Energie, die Masse und die Ladung sind umfangreich, weil zwei desselben Bausteins zusammen doppelt so viel Masse haben wie ein Baustein. Die intensiven Eigenschaften des Bausteins sind diejenigen, die man erhält, wenn man den Durchschnitt über alle Atome betrachtet. Dinge wie Temperatur, Druck und Dichte sind intensiv, weil zwei desselben Bausteins immer noch die gleiche Temperatur haben wie ein Baustein allein.
Gesetze der Thermodynamik
Es gibt vier Gesetze der Thermodynamik, die besagen, wie Energie zwischen zwei Objekten in Form von Wärme bewegt werden kann.
- Nullter Hauptsatz der Thermodynamik
Wenn zwei Systeme den gleichen Wärmefluss hin und her haben und eines der beiden Systeme den gleichen Wärmefluss hin und her mit einem anderen System hat, haben alle drei Systeme den gleichen Wärmefluss miteinander.
Eine Energiezunahme in einem System ist die gleiche wie die Energie, die einem System in Form von Wärme oder Arbeit zugeführt wird. Energie kann nicht erzeugt oder zerstört, sondern nur verändert werden. Die Menge an Energie, die einem System zugeführt wird, ist die gleiche Menge an Energie, die der Umgebung entnommen wird.
Bei einem Paar von Systemen, die sich mit unterschiedlichen Temperaturen berühren, fließt Wärme von heiß nach kalt, bis die Temperatur der Systeme gleich ist.
- Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
Wenn ein System eine Temperatur von 0 Kelvin hat, der absolute Nullpunkt (die niedrigste Temperatur), ist die Entropie (Energie, die nicht zur Arbeit verwendet werden kann) bei 0.
Anwendungen der Thermodynamik
Früher wurde die Thermodynamik untersucht, um Dampfmaschinen besser arbeiten zu lassen. Heute werden Ideen aus der Thermodynamik bei allem verwendet, vom Bau von Maschinen bis hin zur Untersuchung schwarzer Löcher.
Wissenschaftler nutzen die Thermodynamik aus vielen Gründen. Zum einen, um bessere Motoren und Kühlschränke herzustellen. Ein anderer ist es, die Eigenschaften alltäglicher Materialien zu verstehen, damit sie in Zukunft stärker werden können. Die Thermodynamik wird auch in der Chemie verwendet, um zu erklären, welche Reaktionen funktionieren und welche nicht (diese Studie ist als chemische Kinetik bekannt). Die Thermodynamik ist leistungsstark, weil einfache Modelle für Atome gut funktionieren, um die Eigenschaften großer Systeme wie Ziegelsteine zu erklären.
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Fragen und Antworten
F: Was ist Thermodynamik?
A: Die Thermodynamik ist ein Zweig der Physik, der die Beziehungen zwischen Wärme, Temperatur und Energie untersucht.
F: Wie wird die Mathematik in der Thermodynamik eingesetzt?
A: Mathematik, insbesondere Statistik, wird in der Thermodynamik häufig verwendet, um die Bewegung von Teilchen zu untersuchen.
F: Was sind einige Anwendungen der Thermodynamik?
A: Die Thermodynamik hilft uns zu verstehen, wie die Welt der sehr kleinen Atome mit der Welt im großen Maßstab zusammenhängt, die wir täglich sehen. Es gibt zwei Hauptzweige, die klassische Thermodynamik und die statistische Thermodynamik.
F: Was ist ein Beispiel für ein thermodynamisches System?
A: Ein Beispiel für ein thermodynamisches System ist ein Ziegelstein, der aus vielen Atomen mit eigenen Eigenschaften besteht.
F: Was sind extensive Eigenschaften?
A: Extensive Eigenschaften sind diejenigen, die man erhält, wenn man alle Atome zusammenzählt, wie z.B. Volumen, Energie, Masse und Ladung, denn zwei gleiche Ziegelsteine haben zusammengenommen doppelt so viel Masse wie ein Ziegelstein.
F: Was sind intensive Eigenschaften?
A: Intensive Eigenschaften erhält man, wenn man den Durchschnitt aller Atome betrachtet, z.B. Temperatur, Druck und Dichte, denn zwei gleiche Ziegelsteine haben immer noch die gleiche Temperatur wie ein Ziegelstein allein.
