Thermodynamik

Die klassische Thermodynamik beschäftigt sich hauptsächlich mit makroskopischen Systemen.

Die innere Energie ist die gesamte Energie, die in einem System gespeichert ist und beinhaltet kinetische und potenzielle Energie auf atomarer Ebene.

Die Thermodynamik ist essenziell in den Ingenieurwissenschaften und gilt als Werkzeug für das Verständnis und die Optimierung von Energieumwandlungs- und Übertragungsprozessen. Sie hilft dabei, die Leistung von Systemen zu verstehen und zu verbessern. Besonders im Maschinenbau und in der Verfahrenstechnik spielt die Energieeffizienz eine zentrale Rolle.

Die Thermodynamik findet in einem Ingenieurstudium Anwendung in vielen Kursen und Fachbereichen, von grundlegenden Thermodynamikkursen über Energietechnik bis hin zu Prozessdesign. Sie wird auch in spezialisierten Kursen wie Thermische Energiesysteme und in computerbasierten Werkzeugen und Software eingesetzt, die in den Ingenieurwissenschaften verwendet werden.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, auch als Energieerhaltungsgesetz bekannt, besagt, dass die Änderung der internen Energie eines Systems gleich der zugeführten Wärme ist minus der vom System geleisteten Arbeit. Die Formel lautet: \(\Delta U = Q - W\).

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines isolierten Systems niemals abnimmt und bei spontan ablaufenden Prozessen tendenziell zunimmt. Dies bedeutet, dass Energieübertragungen in der Natur in eine bestimmte Richtung tendieren, die zu einem Anstieg der Gesamtentropie führt.

Die Thermodynamik ist die Wissenschaft von Energie, Wärme und Arbeit und ihren Umwandlungen. Sie ist ein integraler Bestandteil eines Ingenieurstudiums und legt das Fundament für viele ingenieurwissenschaftliche Disziplinen. Ihr Verständnis ist wichtig sowohl für das akademische Studium als auch in der angewandten Forschung und Entwicklung.

Ein Studium der Thermodynamik erfordert solide Grundkenntnisse in Physik und Mathematik. Es umfasst die Grundprinzipien und Gesetze der Thermodynamik, deren Anwendungen auf reale Systeme und Prozesse und eine Einführung in spezielle Themen. Praktische Anwendungen, Rechnen und Problemlösen sind ebenfalls wichtige Elemente.

Die Spezialisierungen in der fortgeschrittenen Thermodynamik schließen die statistische Thermodynamik, die chemische Thermodynamik und die Thermodynamik irreversibler Prozesse ein.

Die aktuellen Forschungstrends in der Thermodynamik sind die Quantenthermodynamik, die Thermodynamik komplexer Systeme und die Nanothermodynamik.

Ein thermodynamisches System ist ein ausgewählter Teil des Universums, der beobachtet wird. Alles außerhalb dieses Systems wird als die Umgebung betrachtet. Ein System kann ein einfacher Zylinder, ein Autokühler oder sogar ein komplettes Kraftwerk sein.

Das erste Gesetz der Thermodynamik, auch bekannt als Prinzip der Energieerhaltung, besagt, dass Energie in einem abgeschlossenen System weder erzeugt noch zerstört werden kann, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann.

In einem geschlossenen System kann Energie in Form von Wärme oder Arbeit über die Grenzen des Systems übertragen werden, aber es findet kein Massenaustausch statt. Somit bleiben das Volumen oder die Masse des Systems konstant, selbst wenn Wärme hinzugefügt oder abgezogen wird.

Beispiele für geschlossene Systeme sind das Innere einer Verbrennungskraftmaschine in einem Auto oder ein Druckkochtopf. Bei beiden bleibt die Masse konstant und die Energie wird in Form von Wärme übertragen, die zur Arbeit genutzt wird.

Ein offenes thermodynamisches System ermöglicht sowohl Energie- als auch Massenflüsse durch seine Grenzen.

Während bei offenen Systemen ein Austausch von Masse und Energie über die Grenzen des Systems stattfindet, bleibt bei stationären Systemen ihr Verhalten über die Zeit konstant und die Summe aller Energie- und Massenflüsse, die in das System ein- und aus diesem austreten, ist gleich null.

Die drei Hauptarten von Systemen in der Thermodynamik sind geschlossene, offene und isolierte Systeme. Geschlossene Systeme erlauben nur den Austausch von Energie, offene Systeme erlauben den Austausch von Energie und Materie, während isolierte Systeme weder den Austausch von Energie noch von Materie erlauben.

Das Nullte Gesetz definiert das thermodynamische Gleichgewicht und ermöglicht die Definition der Temperatur. Das erste Gesetz, das Gesetz der Energieerhaltung, besagt, dass Energie in einem abgeschlossenen System nicht erschaffen oder zerstört, sondern nur umgewandelt wird. Das zweite Gesetz behandelt den Energiefluss und die Unumkehrbarkeit von Wärmeübertragungsprozessen.

Die Thermodynamik liefert Ingenieuren die nötigen Informationen, um zu verstehen, wie Wärme, Arbeit, Temperatur, Druck und Volumen in einem System miteinander interagieren. Sie ermöglicht es Ingenieuren, Energieumwandlungen und -übertragungen zu analysieren, ihre Auswirkungen zu verstehen und die Leistung von Systemen zu optimieren.

Thermodynamik Systeme werden in den Ingenieurwissenschaften beispielsweise bei der Entwicklung von Dampfturbinen, Autos und Kühlsystemen eingesetzt. Sie nutzen die Prinzipien der Thermodynamik, um Energie in verschiedenen Formen umzuwandeln und zu steuern.

Ein Phasenübergang bezieht sich auf den Prozess, bei dem sich der Aggregatzustand eines Stoffes ändert. Dabei werden die thermischen Bedingungen wie Druck und Temperatur angepasst und die materiellen Eigenschaften wie Dichte, Schmelzpunkt oder Siedepunkt ändern sich signifikant.

Die Anzahl der thermischen Molekülbewegungen bestimmt die Phase des Wassers. Bei hoher kinetischer Energie, also bei höheren Temperaturen, haben die Wassermoleküle genug Energie, um sich frei zu bewegen und wechseln vom flüssigen in den gasförmigen Zustand. Bei niedrigeren Energien sind die Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen den Molekülen stärker und das Wasser bleibt in der festen Phase.

Für den Übergang von fest zu flüssig wird die benötigte Energie durch die Gleichung Q=m * Lf bestimmt, wobei Q die Wärmemenge, m die Masse und Lf die spezifische Schmelzwärme ist. Für den Übergang von flüssig zu gasförmig wird die benötigte Energie durch die Gleichung Q = m * Lv bestimmt, wo Lv die spezifische Verdampfungswärme ist.

Die drei oft genannten Arten von Phasenübergängen in der Physik sind der Übergang bei Erreichen des Schmelzpunkts, des Siedepunkts und der Zustand der Sublimation.

Ein Phasenübergang der 1. Ordnung ist ein Prozess, bei dem eine messbare physikalische Eigenschaft, wie beispielsweise die Dichte, einen abrupten Wertewechsel zeigt und nicht kontinuierlich von einem Zustand in den anderen übergeht. Typische Beispiele dafür sind das Schmelzen von Eis oder das Verdampfen von Wasser.

Ein Phasenübergang der 2. Ordnung, auch kritischer Phasenübergang genannt, ist ein kontinuierlicher Übergang, bei dem keine latente Wärme freigesetzt oder aufgenommen wird. Parameter ändern sich dabei kontinuierlich und nicht sprunghaft. Ein Beispiel hierfür ist der Übergang von einem paramagnetischen zu einem ferromagnetischen Material.

Bei einem Phasenübergang der 1. Ordnung zeigt sich eine Diskontinuität in der ersten Ableitung der freien Energie in Bezug auf den Kontrollparameter, etwa durch einen sprunghaften Anstieg oder Abfall systemrelevanter Eigenschaften. Phasenübergänge der 2. Ordnung hingegen zeigen Diskontinuitäten in den zweiten Ableitungen der freien Energie und gehen mit einer kontinuierlichen Veränderung einher.

Phasenübergänge 1. Ordnung sind in der Materialwissenschaft und beim Design von thermischen Systemen relevant, da sie die Energieübertragung bei Änderungen des Aggregatzustandes von Flüssigkeiten und Gasen bestimmen. Phasenübergänge 2. Ordnung beeinflussen das magnetische und elektrische Verhalten von Materialien und sind daher wichtig in der Elektrik und Elektronik.

Ein Phasenübergang der ersten Ordnung ist eine sprungartige Änderung einer oder mehrerer physikalischer Eigenschaften.

Phasenübergänge spielen eine Rolle beim Übergang von fest zu flüssig beim Schmelzen von Metallen zur Herstellung von Gussteilen oder Schweißverbindungen.

Die Thermodynamik ist die treibende Kraft hinter jedem Phasenübergang und ihre Prinzipien bestimmen, wie Phasenübergänge bei verschiedenen Bedingungen wie Temperatur, Druck oder Volumen auftreten.

Superleiter sind Materialien, die bei sehr niedrigen Temperaturen den elektrischen Strom absolut widerstandslos leiten. Sie finden Verwendung im Bereich der Magnetschwebebahnen, in der Medizintechnik oder in der Teilchenphysik.

Eine Phase in der Thermodynamik ist ein homogener Teil eines Systems, der durch eine einheitliche physikalische und chemische Zusammensetzung charakterisiert ist. Jede Phase ist durch eine klare Grenzfläche von anderen Phasen getrennt.

Die Gibbs-Phasenregel gibt die Anzahl der Freiheitsgrade in einem thermodynamischen System an. Sie lautet: f = c - φ + 2, wo c die Anzahl der Komponenten und φ die Anzahl der Phasen im System repräsentiert.

'Inphase' bezeichnet den Zustand, wenn zwei Wellen zur selben Zeit ihren Höchststand erreichen. Sind sie 'phasenverschoben', erreichen sie zu unterschiedlichen Zeiten ihren Höchststand.

Das Superpositionsprinzip besagt, dass ein Quantenzustand eine Linearkombination von mehreren anderen Zuständen sein kann. Die Wahrscheinlichkeiten der verschiedenen möglichen Messresultate ändern sich mit der Phase durch Quanteninterferenz.

Im Kontext der Elektrik bezeichnet die "Phase" eine Verzögerung oder Verschiebung zwischen zwei oder mehr wellenförmigen Signalen, die auf einer gemeinsamen Zeitachse graphisch dargestellt werden. Sie hilft, den zeitlichen Verlauf wechselnder elektrischer Spannungen und Ströme zu verstehen und zu modellieren. Die Phase wird in Grad oder Radian gemessen, wobei 360 Grad oder \(2\pi\) Radian einer vollständigen Signalperiode entsprechen.

In einem Wechselstromkreis kann das Verhältnis zwischen Strom und Spannung durch die Phase ausgedrückt werden. Ein idealer Widerstand zeigt keine Phasenverschiebung, d.h., der Strom und die Spannung sind inphase. In vielen realen elektrischen Systemen und Komponenten treten jedoch Phasenverschiebungen auf. Dies liegt oft an einer zeitlichen Verzögerung, die durch die Energiespeicherung in Kondensatoren oder Induktivitäten verursacht wird.

Eine Phase in der Werkstoffkunde ist ein Zustand der Materie, der durch bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften gekennzeichnet ist. Sie ist homogen, das heißt, sie hat die gleiche Zusammensetzung und dieselben physikalischen Eigenschaften an jedem Punkt.

Phasen beeinflussen wesentlich die Eigenschaften von Materialien. Metalle, Keramiken und Polymere können aus unterschiedlichen Phasen bestehen, deren Anordnung und Interaktion die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften jedes Materials stark beeinflusst. Durch die Kontrolle dieser Phasen können Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften für spezifische Anwendungen entworfen werden.

Phase ist ein Parameter, der hilft, den Zustand oder die Position eines Punktes innerhalb eines periodischen Vorgangs zu beschreiben. Im Kontext von Schwingungsvorgängen oder Wellen gibt die Phase an, wie weit diese "ausgelaufen" ist. Sie kann als Winkelangabe in Grad oder Radian oder durch einen Phasenfaktor ausgedrückt werden.

Bei periodischen Funktionen, wie Sinus- oder Kosinusfunktionen bezeichnet der Phasenwinkel die horizontale Verschiebung dieser. Zum Beispiel entspricht ein Phasenwinkel von 0 Grad dem Startpunkt der Schwingung, während ein Phasenwinkel von 90 Grad bedeutet, dass die Schwingung um ein Viertel ihrer Periode verschoben ist.

Thermodynamische Potentiale sind Zustandsfunktionen, die sich aus den Energien von Systemen ergeben. Sie sind dazu da, Prozesse unter verschiedenen Bedingungen zu beschreiben und das Verhalten von thermodynamischen Systemen vorherzusagen.

Die vier Hauptpotentiale der Thermodynamik sind: U - Innere Energie, die die Energie eines Systems repräsentiert; H - Enthalpie, die innere Energie plus Druck mal Volumen erstellt; A oder F - Helmholtz Energie, die innere Energie minus Temperatur mal Entropie ist; G - Gibbs Energie, die Enthalpie minus Temperatur mal Entropie darstellt.

Thermodynamische Potentiale werden zur Optimierung der Effizienz von Maschinen oder zur Prognose des Verhaltens von Materialien unter verschiedenen Bedingungen genutzt. Beispielsweise nutzt man die Gibbs Energie in Verbrennungsmotoren, die Helmholtz Energie in Kühlsystemen und die Innere Energie und Enthalpie in Wärmetauschern und Dampfkesseln.

Bei einem Dampfkessel, bei dem der Druck konstant ist, wird das thermodynamische Potential Enthalpie (H) verwendet.

Die Innere Energie, U, ist die Gesamtenergie, die ein System besitzt, und wird durch die Arbeit und die Wärme beeinflusst, die in das System ein-/ausfließen.

Thermodynamische Potentiale, die Helmholtz Energie (A) und Gibbs Energie (G), werden durch Legendre-Transformationen aus den Grundgleichungen der Thermodynamik abgeleitet.

Die Helmholtz Energie (A) ist gleich U - TS und wird durch eine Legendre-Transformation abgeleitet. Da dU = TdS - PdV ist, kann dA auch geschrieben werden als: dA = -SdT - PdV. Hierbei bleiben T und V konstant.

Die Gibbs Energie (G) ist gleich H - TS und wird durch eine Legendre-Transformation abgeleitet. Da dH = TdS + VdP ist, kann dG auch geschrieben werden als: dG = -SdT + VdP. Hierbei bleiben T und P konstant.