Hauptsätze der Thermodynamik

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0. Hauptsatz der Thermodynamik[Bearbeiten]

Befinden sich System A und B in einem thermodynamischen Gleichgewicht. Und B und C ebenfalls. Da folgt als logische Konsequenz, dass sich auch System A und C im thermodynamischen Gleichgewicht befinden.

Dies hört sich zwar trivial an, ist aber von fundamentaler Bedeutung!

Thermodynamisches Gleichgewicht[Bearbeiten]

Es gibt 3 mögliche Gleichgewichte:

  • stabiles GG: Ein oder mehrere Teilchen befinden sich in einem energetischen Minimum und können nicht ohne weiteres die Energiebarriere überwinden.
  • labiles GG: Schon durch minimale äußere Einflüsse können die Teilchen auf energetisch günstigere Niveaus verschoben werden.
  • metastabiles GG: Eine kleine aber endliche Störung führt in eine neue Gleichgewichtsslage.

1. Hauptsatz der Thermodynamik[Bearbeiten]

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik sagt aus, das die Änderungen der inneren Energie dU eines Systems, von der ihm zugeführten Wärmemenge dQ und der an ihm verrichteten Arbeit dW abhängt.

dU = dQ + dW

Die Energierhaltung besagt, das in einem geschlossenen System keine Energie verloren geht oder erzeugt werden kann. Es kann sich jedoch eine Energieform in die andere umwandeln.
Bei einem offenen System ist die Änderung der Gesamtenergie die Summe der zugeführten Wärmeenergie und der verrichteten Arbeit, abzüglich der abgeführten Wärme und der verrichteten Arbeit.

Mechanische Arbeit wird beispielsweise verrichtet wenn ein Körper durch eine Kraft F bewegt oder verformt wird.

W = F * s [Nm bzw. J]

Es gibt aber auch noch Hub-, Reibungs- und Volumenarbeit

Man kann 2 Fälle unterscheiden: Man kann die innere Energie eines Systems bei konstantem Volumen (1) (geschlossenes Gefäß z.B. Tank) oder bei konstantem Druck (2) (Behälter mit freibeweglichem Kolben) betrachten.

Allgemein gilt: dU = dQ - pdV + dwe

pdV ist die vom System geleistete Verdrängungsarbeit im Fall (1) ist sie = 0, da V = konstant. Bei dwe handelt es sich um andere Arbeitsformen.

daraus ergibt sich: dU = dQ = cV * dT

Für den 2. Fall wird eine neue Zustandsgröße, die Enthalpie H, eingeführt.

H:= U + pV

Die Energieerhaltung sagt aus, dass die Gesamtenergie die Summe der zugeführten und abgeleiteten Energie ist.


Aus der Definition der Enthalpie folgt dann weiter:

dH = dU + d(pV) = dU + pdV + Vdp

Nun wird der 1. HS eingesetzt:

dH = dQ - pdV + dwe + pdV + Vdp

Die beiden pdVs fliegen raus, da dV = 0. Es bleibt nur dH = dQ + dwe + Vdp übrig.

Tritt nur Volumenarbeit im System auf ergibt sich dH = dQ + Vdp.

Wenn dann noch der Druck konstant bleibt ist dp = 0 und die Formel reduziert sich auf:

dH = dQ = cp dT