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2023 | Buch

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Wärmelehre

Experimentalphysik – anschaulich erklärt

verfasst von: Stefan Roth, Achim Stahl

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Das modern gestaltete Lehrbuch zur Experimentalphysik lädt Studierende der Physik und der Nachbardisziplinen dazu ein, die Wärmelehre zu erlernen. Mit anschaulichen Beispielen, einer reichen Bebilderung und modernen Aufgaben führt das Buch durch die Lehrinhalte der Bachelorvorlesung. Die Autoren legen dabei einen Schwerpunkt auf Experimente, die sie anhand vieler Abbildungen erklären, und erleichtern somit das Verständnis der physikalischen Phänomene. Das Buch behandelt die Temperatur und das thermische Gleichgewicht, die Wärme, die Hauptsätze der Thermodynamik, die kinetische Gastheorie, die Entropie, Phasenübergänge und viele technische Anwendungen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Temperatur

Zusammenfassung

Der Mensch nimmt Temperatur über spezielle Sinneszellen in der Haut wahr. Dicht unter der Oberfläche der Haut in der Dermis liegen Rezeptoren, die für unser Temperaturempfinden verantwortlich sind. Es gibt getrennte Rezeptoren für Kälte und für Wärme. In der Haut sind etwa 10-mal so viele Rezeptoren für Kälte wie für Wärme. Die Kälterezeptoren liegen dichter und näher an der Oberfläche (direkt unter der Epidermis). Die Rezeptoren senden ständig Impulse ans Gehirn. Die Häufigkeit der Impulse ist temperaturabhängig. Aus diesen Impulsen entsteht im Gehirn das Temperaturempfinden.

Das Temperaturempfinden des Menschen ist stark subjektiv. Für ein Studium der physikalischen Phänomene der Wärmelehre ist dies nicht hinreichend. In diesem ersten Kapitel stellen wir die Messmethoden vor, mit denen sich die Temperatur objektiv erfassen lässt. Wir beschreiben die physikalischen Grundlagen, auf denen die Temperaturmessungen beruhen und diskutieren die wichtigsten Temperaturskalen.

Stefan Roth, Achim Stahl

2. Wärme

Zusammenfassung

Wie man im Alltag leicht beobachten kann, gleichen sich die Temperaturen von Objekten, die sich im gegenseitigen Kontakt befinden, an. Eine heiße Tasse Kaffee im Kontakt mit der umgebenden Luft kühlt sich ab, während sich ein Eisbecher erwärmt. Physikalisch sagen wir, der Kaffee gibt Wärme an die Umgebung ab, der Eisbecher nimmt Wärme aus der Umgebung auf.

Wärme ist eine Form von Energie. Sie ist das Thema dieses Kapitels. Wir entwickeln den Zusammenhang zwischen Wärme und Temperatur über den Begriff der Wärmekapazität, was uns zum ersten Hauptsatz der Wärmelehre führt. Dann beschäftigen wir uns mit dem Wärmetransport, der unter anderem für den oben erwähnten Austausch von Wärme zwischen Körpern verantwortlich ist. Wir behandeln die Arten des Wärmetransports: Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung.

Stefan Roth, Achim Stahl

3. Kinetische Gastheorie

Zusammenfassung

Schon mit den Anfängen der modernen Chemie stellte man fest, dass sich alle einatomigen Gase gleich verhalten, wenn man sie nur genügend verdünnt. Ein Gas, das dieses asymptotische Verhalten zeigt, nennen wir ein „ideales Gas“. Amedeo Avogadro nahm an, dass sich alle Bausteine der Gase gleich verhalten und schloss korrekterweise aus dem asymptotischen Verhalten der Gase, dass sich in einer bestimmten Menge eines idealen Gases dieselbe Anzahl an Atomen bzw. Molekülen befinden muss.

Dies ist das Schlüsselkapitel der Wärmelehre. Für ideale Gase entwickeln wir ein mikroskopisches Modell der Wärme. Sie lernen, wie sich Temperatur und Druck eines idealen Gases auf die Bewegung der Moleküle im Gas zurückführen lässt und wie sich diese Eigenschaften verändern, wenn man die Gase unterschiedlichen Prozessen, wie Wärmezufuhr oder Kompression unterzieht. Wir leiten das ideale Gasgesetz ab und beschreiben schließlich das Ensemble der Moleküle durch statistische Verteilungsfunktionen.

Stefan Roth, Achim Stahl

4. Entropie

Zusammenfassung

Bisher sind wir davon ausgegangen, dass sich die Gase im thermodynamischen Gleichgewicht befinden. Überall im Gas sollten dieselbe Temperatur und derselbe Druck herrschen. Mikroskopisch gesehen bedeutet dies, dass die Geschwindigkeitsverteilungen der Moleküle überall gleich sind. Für einen stationären Zustand stellt sich dieses Gleichgewicht von alleine ein. Wir wollen uns aber nicht auf stationäre Zustände beschränken.

In diesem Kapitel wollen wir uns mit thermodynamischen Prozessen beschäftigen, wie sie in Maschinen (Wärmepumpen, Verbrennungsmotoren, etc.) ablaufen. Dies wird uns zum Begriff der Entropie und dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre führen. Wir beschäftigen uns mit der Umwandlung zwischen mechanischer Energie und Wärme, den Grenzen, die diesen Umwandlungen gesetzt sind, und der Frage, wie der Entropiesatz eine Richtung für den Ablauf makroskopischer Prozesse vorgibt. Am Ende kommen wir noch auf den absoluten Nullpunkt der Temperatur und den damit verbundenen dritten Hauptsatz der Wärmelehre zu sprechen.

Stefan Roth, Achim Stahl

5. Reale Gase

Zusammenfassung

Bereits Avogadro und seine Kollegen hatten festgestellt, dass sich alle Gase bei genügender Verdünnung gleich verhalten. Hieraus entstand der Begriff des „idealen Gases“. Doch was ändert sich, wenn das Gas nicht genügend verdünnt ist? Stellen Sie sich vor, Sie erhöhen den Druck im Gas immer weiter, wobei Sie die Temperatur über ein Wärmereservoir konstant halten (isotherme Kompression). Das Volumen des Gases wird sich entsprechend verringern, mehr sollte nach dem idealen Gasgesetz aber nicht geschehen. Doch in Wirklichkeit werden Sie einen Punkt erreichen, an dem das Gas sich unter Druck verflüssigt. Diese Phasenumwandlung ist im idealen Gasgesetz nicht enthalten. Es beschreibt alle Substanzen bei beliebigen Werten von Druck und Temperatur als Gase. Doch reale Gase werden bei niedrigen Temperaturen und hohem Druck flüssig und schließlich fest. Diese Phasenumwandlungen sind das Thema dieses Kapitels.

Stefan Roth, Achim Stahl

Backmatter

Titel: Wärmelehre
verfasst von: Stefan Roth
Achim Stahl
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-67213-6
Print ISBN: 978-3-662-67212-9
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-67213-6

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