Thermodynamik

Thermodynamik ist ein Zweig von Physik Das befasst sich mit Wärme, Arbeit, und Temperaturund ihre Beziehung zu Energie, Entropieund die physikalischen Eigenschaften von Angelegenheit und Strahlung. Das Verhalten dieser Größen unterliegt den vier laws of thermodynamics die eine quantitative Beschreibung unter Verwendung messbarer makroskopisch vermitteln physikalische Quantitäten, kann aber in Bezug auf erklärt werden mikroskopisch Bestandteile von Statistische Mechanik. Die Thermodynamik gilt für eine Vielzahl von Themen in Wissenschaft und Ingenieurwesen, besonders physikalische Chemie, Biochemie, Chemieingenieurwesen und Maschinenbau, aber auch in anderen komplexen Bereichen wie z. Meteorologie.

Historisch gesehen entwickelte sich die Thermodynamik aus dem Wunsch, die zu erhöhen Effizienz von früh Dampfmaschinenbesonders durch die Arbeit des französischen Physikers Sadi Carnot (1824), der glaubte, dass der Motoreffizienz der Schlüssel war, der Frankreich helfen könnte, den zu gewinnen napoleonische Kriege.^[1] Scots-irischer Physiker Lord Kelvin war der erste, der 1854 eine kurze Definition der Thermodynamik formulierte^[2] Was besagte: "Thermo-Dynamik ist Gegenstand des Verhältnisses von Wärme zu Kräften, die zwischen zusammenhängenden Teilen von Körpern und der Verhältnis von Wärme zu elektrischer Agentur wirken." Rudolf Clausius Ruhestand Carnots Prinzip als das als das bekannt Carnot -Zyklus und gab so das Theorie der Hitze eine wahrer und fundierte Basis. Sein wichtigstes Papier, "über die sich bewegende Kraft der Hitze",^[3] 1850 veröffentlicht, erklärte erstmals die Zweites Gesetz der Thermodynamik. 1865 stellte er das Konzept von vor Entropie. 1870 stellte er das vor Virialsatz, was antrat auf Wärme.^[4]

Die anfängliche Anwendung der Thermodynamik auf mechanische Wärmemotoren wurde schnell auf die Untersuchung chemischer Verbindungen und chemischer Reaktionen ausgedehnt. Chemische Thermodynamik untersucht die Art der Rolle von Entropie im Verfahren chemische Reaktionen und hat den Großteil der Expansion und Kenntnis des Feldes bereitgestellt.^{[5][6][7][8][9][10][11][12][13]} Andere Formulierungen der Thermodynamik entstanden. Statistische Thermodynamikoder statistische Mechanik betrifft sich mit statistisch Vorhersagen der kollektiven Bewegung von Partikeln aus ihrem mikroskopischen Verhalten. Im Jahr 1909, Konstantin Carathéodory präsentierte einen rein mathematischen Ansatz in einem axiomatisch Formulierung, eine Beschreibung, die oft als als bezeichnet wird Geometrische Thermodynamik.

Einführung

Eine Beschreibung eines thermodynamischen Systems verwendet die vier laws of thermodynamics das bildet eine axiomatische Basis. Das erste Gesetz Gibt an, dass Energie zwischen physischen Systemen als übertragen werden kann Wärme, wie Arbeitund mit Übertragung von Materie.^[14] Das zweite Gesetz definiert die Existenz einer Menge genannt Entropie, das beschreibt die Richtung thermodynamisch, dass sich ein System entwickeln kann und den Zustand der Reihenfolge eines Systems quantifiziert und die nützliche Arbeit, die aus dem System extrahiert werden können, quantifiziert werden kann.^[15]

In der Thermodynamik werden Wechselwirkungen zwischen großen Ensembles von Objekten untersucht und kategorisiert. Zentral dazu die Konzepte der Thermodynamik System und sein Umfeld. Ein System besteht aus Partikeln, deren durchschnittliche Bewegungen seine Eigenschaften definieren, und diese Eigenschaften sind wiederum miteinander verbunden Zustandsgleichungen. Eigenschaften können kombiniert werden, um auszudrücken innere Energie und thermodynamische Potentiale, die nützlich sind, um die Bedingungen für die Bestimmung zu Gleichgewicht und Spontane Prozesse.

Mit diesen Tools kann die Thermodynamik verwendet werden, um zu beschreiben, wie Systeme auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren. Dies kann auf eine Vielzahl von Themen in angewendet werden Wissenschaft und Ingenieurwesen, wie zum Beispiel Motoren, Phasenübergänge, chemische Reaktionen, Transportphänomene, und sogar Schwarze Löcher. Die Ergebnisse der Thermodynamik sind für andere Bereiche von wesentlich Physik und für Chemie, Chemieingenieurwesen, Korrosionstechnik, Raumfahrttechnik, Maschinenbau, Zellen-Biologie, Biomedizintechnik, Materialwissenschaften, und Wirtschaft, um ein paar zu nennen.^[16][17]

Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf die klassische Thermodynamik, die hauptsächlich Systeme in untersucht Thermodynamisches Gleichgewicht. Nicht-Gleichgewichtsthermodynamik wird oft als Erweiterung der klassischen Behandlung behandelt, aber die statistische Mechanik hat viele Fortschritte in dieses Gebiet gebracht.

Geschichte

Das Thermodynamiker Vertreter der ursprünglichen acht Gründungsschulen der Thermodynamik. Die Schulen mit dem anhaltendsten Effekt bei der Gründung der modernen Versionen der Thermodynamik sind die Berlin-Schule, insbesondere wie in der festgelegten Version Rudolf Clausius1865 Lehrbuch von 1865 Die mechanische Theorie der Wärme, die Wiener Schule, mit der Statistische Mechanik von Ludwig Boltzmannund die Gibbsian School an der Yale University, American Engineer Willard Gibbs'1876 Auf dem Gleichgewicht heterogener Substanzen Start Chemische Thermodynamik.^[18]

Das Geschichte der Thermodynamik als wissenschaftliche Disziplin beginnt im Allgemeinen mit Otto von Guericke Wer im Jahr 1650 den ersten der Welt gebaut und entworfen hat Vakuumpumpe und demonstrierte a Vakuum mit seinem Magdeburg Hemisphären. Guericke wurde gefahren, um ein Vakuum zu machen, um zu widerlegen Aristoteles"S lang gehegte Vermutung, dass" die Natur ein Vakuum verabscheut ". Kurz nach Guericke, der anglo-irische Physiker und Chemiker Robert Boyle hatte von Guericke's Designs und 1656 in Abstimmung mit englischer Wissenschaftler erfahren Robert Hookebau eine Luftpumpe.^[19] Mit dieser Pumpe bemerkten Boyle und Hooke eine Korrelation zwischen Druck, Temperatur, und Volumen. Rechtzeitig, Boyles Gesetz wurde formuliert, was angibt, dass Druck und Volumen sind invers proportional. Dann, im Jahr 1679, basierend auf diesen Konzepten, ein Mitarbeiter von Boyle's genannt Denis Papin gebaut a Dampfschatzer, das war ein geschlossenes Gefäß mit einem fest sitzenden Deckel, der Dampf beschränkte, bis ein Hochdruck erzeugt wurde.

Spätere Designs implementierten ein Dampf -Release -Ventil, das die Maschine nicht explodieren hielt. Indem Papin sich rhythmisch auf und ab beobachtete, um sich rhythmisch auf und ab zu beobachten, konzipierte Papin die Idee von a Kolben und ein Zylindermotor. Er folgte jedoch nicht mit seinem Design. Dennoch 1697, basierend auf Papins Designs, Ingenieur Thomas Savery baute den ersten Motor, gefolgt von Thomas Newcomen 1712. Obwohl diese frühen Motoren grob und ineffizient waren, erregten sie die Aufmerksamkeit der führenden Wissenschaftler dieser Zeit.

Die grundlegenden Konzepte von Wärmekapazität und latente Hitze, die für die Entwicklung der Thermodynamik notwendig waren, wurden von Professor entwickelt Joseph Black an der Universität von Glasgow, wo James Watt wurde als Instrumentenhersteller beschäftigt. Schwarz und Watt führten zusammen Experimente durch, aber es war Watt, der die Idee der externer Kondensator was zu einer großen Zunahme von führte Dampfmaschine Effizienz.^[20] Aufgrund aller vorherigen Arbeiten geleitet Sadi Carnot, der "Vater der Thermodynamik", um zu veröffentlichen Reflexionen über die Motivkraft des Feuers (1824), ein Diskurs über Wärme, Strom, Energie und Motoreffizienz. Das Buch skizzierte die grundlegenden energetischen Beziehungen zwischen dem Carnot -Motor, das Carnot -Zyklus, und Triebkraft. Es markierte den Beginn der Thermodynamik als moderne Wissenschaft.^[12]

Das erste thermodynamische Lehrbuch wurde 1859 von geschrieben William Rankine, ursprünglich als Physiker und Professor für Zivil- und Maschinenbau am Ingenieurwesen ausgebildet Universität Glasgow.^[21] Die ersten und zweiten Gesetze der Thermodynamik entstanden gleichzeitig in den 1850er Jahren, vor allem aus den Werken von William Rankine, Rudolf Clausius, und William Thomson (Lord Kelvin). Die Grundlagen der statistischen Thermodynamik wurden von Physikern wie festgelegt, z. James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius und J. Willard Gibbs.

In den Jahren 1873–76 der amerikanische mathematische Physiker Josiah Willard Gibbs veröffentlichte eine Reihe von drei Papieren, das berühmteste Wesen Auf dem Gleichgewicht heterogener Substanzen,^[5] in dem er zeigte, wie thermodynamische Prozesse, einschließlich chemische Reaktionen, könnte grafisch analysiert werden, indem man die untersucht Energie, Entropie, Volumen, Temperatur und Druck des Thermodynamisches System Auf diese Weise kann man feststellen, ob ein Prozess spontan auftreten würde.^[22] Ebenfalls Pierre Duhem Im 19. Jahrhundert schrieb über chemische Thermodynamik.^[6] Im frühen 20. Jahrhundert Chemiker wie Gilbert N. Lewis, Merle Randall,^[7] und E. A. Guggenheim^[8][9] Anwendte die mathematischen Methoden von Gibbs auf die Analyse chemischer Prozesse.

Etymologie

Die Etymologie von Thermodynamik hat eine komplizierte Geschichte.^[23] Es wurde zuerst als Adjektiv in einer Bindestrichform geschrieben (Thermo-Dynamic) und von 1854 bis 1868 als Substantiv Thermodynamik Repräsentation der Wissenschaft verallgemeinerter Hitzemotoren.^[23]

amerikanisch Biophysiker Donald Haynie behauptet das Thermodynamik wurde 1840 aus dem geprägt griechisch Wurzel θέρμη Therme, bedeutet „Wärme“ und Δύναμις Dynamis, bedeutet "Macht".^[24]

Pierre Perrot behauptet, dass die Begriff Thermodynamik wurde von geprägt von James Joule im Jahr 1858, um die Wissenschaft der Beziehungen zwischen Wärme und Kraft zu bezeichnen,^[12] Joule hat diesen Begriff jedoch nie verwendet, sondern stattdessen den Begriff Perfekter thermo-dynamischer Motor In Bezug auf Thomsons 1849^[25] Phraseologie.^[23]

Bis 1858, Thermodynamikals funktionaler Begriff wurde in verwendet William Thomson's Papier "Ein Bericht über Carnots Theorie der Motivkraft der Wärme."^[25]

Zweige der Thermodynamik

Die Untersuchung thermodynamischer Systeme hat sich zu mehreren verwandten Zweigen entwickelt, die jeweils ein anderes grundlegendes Modell als theoretische oder experimentelle Grundlage verwenden oder die Prinzipien auf unterschiedliche Systemtypen anwenden.

Klassische Thermodynamik

Die klassische Thermodynamik ist die Beschreibung der Zustände von thermodynamischen Systemen im Nahen Gleichgewicht, der makroskopische, messbare Eigenschaften verwendet. Es wird verwendet, um den Austausch von Energie, Arbeit und Wärme basierend auf dem zu modellieren laws of thermodynamics. Der Qualifikationsmerkmal klassisch spiegelt die Tatsache wider, dass es die erste Ebene des Verständnisses des Subjekts darstellt, wie es im 19. Jahrhundert entwickelt wurde, und beschreibt die Veränderungen eines Systems in Bezug auf makroskopische empirische (große und messbare) Parameter. Eine mikroskopische Interpretation dieser Konzepte wurde später durch die Entwicklung von bereitgestellt Statistische Mechanik.

Statistische Mechanik

Statistische MechanikAuch als statistische Thermodynamik bekannt, entstand im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert mit der Entwicklung von atomaren und molekularen Theorien und ergänzte die klassische Thermodynamik mit einer Interpretation der mikroskopischen Wechselwirkungen zwischen einzelnen Partikeln oder quantenmechanischen Zuständen. Dieses Feld bezieht die mikroskopischen Eigenschaften einzelner Atome und Moleküle auf die makroskopischen Masseneigenschaften von Material Quantentheorie auf mikroskopischer Ebene.

Chemische Thermodynamik

Chemische Thermodynamik ist die Untersuchung der Wechselbeziehung von Energie mit chemische Reaktionen oder mit einer physischen Veränderung von Zustand innerhalb der Grenzen der laws of thermodynamics. Das Hauptziel der chemischen Thermodynamik besteht darin, die Spontanität einer bestimmten Transformation zu bestimmen.^[26]

Gleichgewichtsthermodynamik

Gleichgewichtsthermodynamik ist die Untersuchung von Übertragungen von Materie und Energie in Systemen oder Körpern, die durch Agenturen in ihrer Umgebung von einem Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts zu einem anderen angetrieben werden können. Der Begriff "thermodynamisches Gleichgewicht" zeigt einen Gleichgewichtszustand an, in dem alle makroskopischen Strömungen Null sind; Bei den einfachsten Systemen oder Körpern sind ihre intensiven Eigenschaften homogen und ihr Druck senkrecht zu ihren Grenzen. In einem Gleichgewichtszustand gibt es keine unausgeglichenen Potentiale oder Antriebskräfte zwischen makroskopisch unterschiedlichen Teilen des Systems. Ein zentrales Ziel bei der Gleichgewichtsthermodynamik ist: Ein System in einem gut definierten anfänglichen Gleichgewichtszustand und mit seiner Umgebung und mit seinen konstitutiven Wänden, um zu berechnen, was der endgültige Gleichgewichtszustand des Systems sein wird, nachdem sich ein bestimmter thermodynamischer Betrieb geändert hat seine Wände oder Umgebung.

Nicht-Gleichgewichtsthermodynamik

Nicht-Gleichgewichtsthermodynamik ist ein Zweig der Thermodynamik, der sich mit Systemen befasst, die sich nicht befinden Thermodynamisches Gleichgewicht. Die meisten in der Natur vorkommenden Systeme befinden sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht, da sie sich nicht in stationären Zuständen befinden und kontinuierlich und diskontinuierlich dem Fluss von Materie und Energie zu und von anderen Systemen ausgesetzt sind. Die thermodynamische Untersuchung von Nicht-Gleichgewichtssystemen erfordert allgemeinere Konzepte als durch Gleichgewichtsthermodynamik.^[27] Viele natürliche Systeme sind bis heute über den Rahmen der derzeit bekannten makroskopischen thermodynamischen Methoden hinaus.

Gesetze der Thermodynamik

Annotierte Farbversion des Originals 1824 Carnot Heatmotor Zeigen Sie den heißen Körper (Kessel), den Arbeitskörper (System, Dampf) und den kalten Körper (Wasser), die Buchstaben, die entsprechend den Stopppunkten in gekennzeichnet sind Carnot -Zyklus.

Die Thermodynamik basiert hauptsächlich auf einer Reihe von vier Gesetzen, die allgemein gültig sind, wenn sie auf Systeme angewendet werden, die innerhalb der von jeweils implizierten Einschränkungen fallen. In den verschiedenen theoretischen Beschreibungen der Thermodynamik können diese Gesetze in scheinbar unterschiedlichen Formen ausgedrückt werden, aber die bekanntesten Formulierungen sind die folgenden.

Nuloth Law

Das Nullengesetz der Thermodynamik Zustände: Wenn sich jeweils zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten befinden, befinden sie sich auch im thermischen Gleichgewicht miteinander.

Diese Aussage impliziert, dass das thermische Gleichgewicht ein ist Äquivalenzbeziehung am Set von Thermodynamische Systeme unter Berücksichtigung. Systeme sollen im Gleichgewicht liegen, wenn der kleine, zufällige Austausch zwischen ihnen (z. Brownsche Bewegung) führen nicht zu einer Nettoveränderung der Energie. Dieses Gesetz wird in jeder Messung der Temperatur stillschweigend angenommen. Wenn man also versucht zu entscheiden, ob zwei Körper gleich sind TemperaturEs ist nicht erforderlich, sie in Kontakt zu bringen und Änderungen ihrer beobachtbaren Eigenschaften rechtzeitig zu messen.^[28] Das Gesetz bietet eine empirische Definition von Temperatur und Rechtfertigung für den Bau praktischer Thermometer.

Das Nullengesetz wurde zunächst nicht als separates Gesetz der Thermodynamik anerkannt, da seine Grundlage im thermodynamischen Gleichgewicht in den anderen Gesetzen impliziert wurde. Die ersten, zweiten und dritten Gesetze waren bereits ausdrücklich angegeben und fanden eine gemeinsame Akzeptanz in der Physikgemeinschaft, bevor die Bedeutung des Nullhellgesetzes für die Definition der Temperatur realisiert wurde. Da es unpraktisch war, die anderen Gesetze zu nummerieren, wurde es die benannt Nuloth Law.

Erstes Gesetz

Das Erstes Gesetz der Thermodynamik Zustände: In einem Prozess ohne Materie die Änderung in innere Energie, ${\ displayStyle \ delta u}$von a Thermodynamisches System ist gleich der als Wärme gewonnenen Energie, ${\ displayStyle q}$, weniger die thermodynamische Arbeit, ${\ displayStyle W}$, durch das System auf seiner Umgebung.^{[29][NB 1]}

${\ displayStyle \ delta u = q-w}$.

wo ${\ displayStyle \ delta u}$ bezeichnet die Veränderung der inneren Energie von a geschlossenes System (Für welche Wärme oder Arbeiten die Systemgrenze möglich sind, aber keine Materieübertragung ist möglich), ${\ displayStyle q}$ bezeichnet die Menge der gelieferten Energie zu das System als Hitze und ${\ displayStyle W}$ bezeichnet die Menge an thermodynamischen Arbeiten durch das System an seine Umgebung. Eine äquivalente Aussage ist das Perpetuale Bewegungsmaschinen von der ersten Art sind unmöglich; Arbeit ${\ displayStyle W}$ Durch ein System in der Umgebung erfolgt, erfordert die interne Energie des Systems ${\ displayStyle u}$ verringern oder konsumiert werden, so dass die durch diese Arbeit verlorene interne Energie als Wärme wiedergegeben werden muss ${\ displayStyle q}$ durch eine externe Energiequelle oder als Arbeit durch eine externe Maschine, die auf das System wirkt (so dass ${\ displayStyle u}$ wird wiederhergestellt), damit das System kontinuierlich funktioniert.

Für Prozesse, die die Übertragung von Materie enthalten, ist eine weitere Aussage erforderlich: Mit gebührender Berücksichtigung der jeweiligen Genauigkeitsreferenzzustände der Systeme, wenn zwei Systeme, die unterschiedliche chemische Zusammensetzungen haben können, zunächst nur durch eine undurchlässige Wand getrennt und ansonsten isoliert werden die Wand dann

${\ displayStyle u_ {0} = u_ {1}+u_ {2}}$,

wo U₀ bezeichnet die innere Energie des kombinierten Systems und bezeichnet und U₁ und U₂ Bezeichnen Sie die inneren Energien der jeweiligen getrennten Systeme.

Dieses Gesetz ist für die Thermodynamik angepasst und ist Ausdruck des Prinzips von Energieerhaltung, was angibt, dass Energie transformiert werden kann (von einer Form zu einer anderen verändert), aber nicht geschaffen oder zerstört werden kann.^[30]

Interne Energie ist eine Haupteigentum der Thermodynamischer Zustand, während Wärme und Arbeiten die Energieübertragungsmodi sind, durch die ein Prozess diesen Zustand verändern kann. Eine Änderung der internen Energie eines Systems kann durch eine beliebige Kombination von Wärme- oder Entfernung und Arbeiten am oder durch das System erreicht werden. Als ein Funktionsfunktion, Die innere Energie hängt nicht von der Art und Weise ab oder vom Weg durch Zwischenschritte, durch die das System in seinen Zustand ankam.

Zweites Gesetz

Eine traditionelle Version der Zweites Gesetz der Thermodynamik Zustände: Wärme fließt nicht spontan von einem kälteren Körper zu einem heißeren.

Das zweite Gesetz bezieht sich auf ein System von Materie und Strahlung, zunächst mit Inhomogenitäten in Temperatur, Druck, chemischem Potential und anderen Intensive Eigenschaften, das sind auf interne "Einschränkungen" oder unvollständige starre Wände oder auf extern auferlegte Kräfte zurückzuführen. Das Gesetz stellt fest, dass, wenn das System von der Außenwelt und aus diesen Kräften isoliert ist, eine bestimmte thermodynamische Menge vor Entropie, damit die Einschränkungen entfernt werden und schließlich einen maximalen Wert beim thermodynamischen Gleichgewicht erreichen, wenn die Inhomogenitäten praktisch verschwinden. Für Systeme, die anfangs weit entfernt von thermodynamischem Gleichgewicht sind, gibt es jedoch kein allgemeines physikalisches Prinzip bekannt, das die Ansatzraten des thermodynamischen Gleichgewichts bestimmt, und die Thermodynamik geht nicht mit solchen Raten ab. Die vielen Versionen des zweiten Gesetzes drücken alle die aus Irreversibilität eines solchen Ansatzes zum thermodynamischen Gleichgewicht.

In der makroskopischen Thermodynamik ist das zweite Gesetz eine grundlegende Beobachtung für jeden thermodynamischen Prozess. In der statistischen Thermodynamik wird das zweite Gesetz als Folge des molekularen Chaos postuliert.

Drittes Gesetz

Das third law of thermodynamics Zustände: Wenn sich die Temperatur eines Systems an absolute Null nähert, hören alle Prozesse auf und die Entropie des Systems nähert sich einem Mindestwert.

Dieses Gesetz der Thermodynamik ist ein statistisches Naturgesetz in Bezug auf Entropie und die Unmöglichkeit des Erreichens Absoluter Nullpunkt Temperatur. Dieses Gesetz bietet einen absoluten Bezugspunkt für die Bestimmung der Entropie. Die relativ zu diesem Punkt bestimmte Entropie ist die absolute Entropie. Zu den alternativen Definitionen gehören "Die Entropie aller Systeme und aller Zustände eines Systems ist bei absoluter Null kleinsten" oder äquivalent "ist es unmöglich, die absolute Null der Temperatur durch endliche Anzahl von Prozessen zu erreichen".

Absolute Null, bei der alle Aktivitäten aufhören würden, wenn es möglich wäre, –273,15 ° C (Grad Celsius) oder –459,67 ° F (Grad Fahrenheit) oder 0 K (Kelvin) oder 0 ° R (Grad (Grad Rankine).

Systemmodelle

Ein Diagramm eines generischen thermodynamischen Systems

Ein wichtiges Konzept in der Thermodynamik ist das Thermodynamisches System, was eine genau definierte Region des untersuchten Universums ist. Alles im Universum außer dem System wird das genannt Umfeld. Ein System wird vom Rest des Universums durch a getrennt Grenze Dies mag physisch oder fiktiv sein, aber dazu dienen, das System auf ein endliches Volumen zu beschränken. Segmente der Grenze werden oft beschrieben als als Wände; Sie haben die jeweiligen definierten "Permeabilitäten". Energieübertragungen als Arbeit, oder as Wärme, Oder von AngelegenheitZwischen dem System und der Umgebung finden Sie nach ihren jeweiligen Permeabilitäten durch die Wände.

Materie oder Energie, die über die Grenze hinausgehen, um eine Änderung der internen Energie des Systems zu bewirken, muss in der Energiebilanzgleichung berücksichtigt werden. Das von den Wänden enthaltene Volumen kann die Region sein, die eine einzelne Atom -Resonanz -Energie umgibt, wie z. Max Planck im Jahr 1900 definiert; Es kann ein Körper aus Dampf oder Luft in a sein Dampfmaschine, wie zum Beispiel Sadi Carnot definiert im Jahr 1824. Das System könnte auch nur eines sein Nuklid (d. H. Ein System von Quarks) Wie in der Hypothese aufgenommen in Quantenthermodynamik. Wenn ein lockerer Standpunkt übernommen wird und die Anforderung des thermodynamischen Gleichgewichts fallen gelassen wird, kann das System der Körper von a sein tropischer Wirbelsturm, wie zum Beispiel Kerry Emanuel 1986 auf dem Gebiet von theoretisiert Atmosphärische Thermodynamik, oder der Ereignishorizont von a schwarzes Loch.

Grenzen sind von vier Typen: fest, beweglich, real und imaginär. In einem Motor bedeutet beispielsweise eine feste Grenze, dass der Kolben an seiner Position gesperrt ist, in der ein konstantes Volumenprozess auftreten kann. Wenn sich der Kolben bewegen darf, ist diese Grenze beweglich, während die Zylinder- und Zylinderkopfgrenzen festgelegt sind. Für geschlossene Systeme sind Grenzen real, während für offene Systemgrenzen häufig imaginäre Grenzen sind. Bei einem Strahlmotor kann bei der Einnahme des Motors eine feste imaginäre Grenze angenommen werden, festgelegte Grenzen entlang der Oberfläche des Gehäuses und eine zweite feste imaginäre Grenze über die Auspuffdüse.

Im Allgemeinen unterscheidet die Thermodynamik drei Systemklassen, die in Bezug auf das definiert sind, was ihre Grenzen überschreiten darf:

Wechselwirkungen von thermodynamischen Systemen

Art des Systems	Massenstrom	Arbeit	Hitze
Offen
Abgeschlossen	N
Thermisch isoliert	N		N
Mechanisch isoliert	N	N
Isoliert	N	N	N

Mit der Zeit in einem isolierten System neigen interne Unterschiede in Drücken, Dichten und Temperaturen dazu, auszustatten. Ein System, in dem alle Equalizationsprozesse zur Fertigstellung durchgeführt wurden Zustand von Thermodynamisches Gleichgewicht.

Sobald im thermodynamischen Gleichgewicht die Eigenschaften eines Systems per Definition in der Zeit unverändert sind. Systeme im Gleichgewicht sind viel einfacher und leichter zu verstehen als Systeme, die sich nicht im Gleichgewicht befinden. Bei der Analyse eines dynamischen thermodynamischen Prozess reversible Prozesse.

Zustände und Prozesse

Wenn sich ein System unter einem bestimmten Satz von Bedingungen im Gleichgewicht befindet, soll es in einem bestimmten Fall sein Thermodynamischer Zustand. Der Zustand des Systems kann durch eine Reihe von beschrieben werden Zustandsmengen Das hängt nicht von dem Prozess ab, durch den das System in seinen Bundesstaat angekommen ist. Sie heißen Intensive Variablen oder umfangreiche Variablen entsprechend der Art und Weise, wie sie sich ändern, wenn sich die Größe des Systems ändert. Die Eigenschaften des Systems können von einem beschrieben werden Staatsgleichung das spezifiziert die Beziehung zwischen diesen Variablen. Der Zustand kann als die momentane quantitative Beschreibung eines Systems mit einer festgelegten Anzahl von Variablen konstant angesehen werden.

A Thermodynamischer Prozess Kann definiert als die energetische Entwicklung eines thermodynamischen Systems, das von einem Anfangszustand in einen endgültigen Zustand verläuft. Es kann beschrieben werden durch Prozessmengen. Typischerweise unterscheidet sich jeder thermodynamische Prozess von anderen Prozessen im energetischen Zeichen gemäß den Parametern wie Temperatur, Druck oder Volumen usw. werden festgehalten. Darüber hinaus ist es nützlich, diese Prozesse in Paare zu gruppieren, bei denen jede konstante Variable ein Mitglied von a ist konjugieren Paar.

Einige häufig untersuchte thermodynamische Prozesse sind:

• Adiabatischer Prozess: tritt ohne Verlust oder Energiegewinn durch Wärme
• Isenthalpischer Prozess: tritt bei einer Konstante auf enthalpy
• Isentropischer Prozess: Ein reversibler adiabatischer Prozess tritt bei einer Konstante auf Entropie
• Isobarischer Prozess: tritt konstant auf Druck
• Isochorischer Prozess: tritt konstant auf Volumen (auch isometrisch/isovolumetrisch bezeichnet)
• Isothermen Prozess: tritt bei einer Konstante auf Temperatur
• Stationärer Zustandsprozess: tritt ohne Änderung in der vor innere Energie

Instrumentierung

Es gibt zwei Arten von Thermodynamische Instrumente, das Meter und die Reservoir. Ein thermodynamisches Messgerät ist jedes Gerät, das jeden Parameter von a misst Thermodynamisches System. In einigen Fällen wird der thermodynamische Parameter tatsächlich als idealisiertes Messinstrument definiert. Zum Beispiel die Nuloth Law Staaten, dass sich auch zwei Körper im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten Körper im thermischen Gleichgewicht miteinander befinden. Dieses Prinzip, wie von festgestellt von James Maxwell Im Jahr 1872 behauptet, dass es möglich ist, die Temperatur zu messen. Ein idealisiertes Thermometer ist eine Probe eines idealen Gases bei konstantem Druck. Von dem ideal gas law pv = nrtDas Volumen einer solchen Probe kann als Indikator für die Temperatur verwendet werden; Auf diese Weise definiert es Temperatur. Obwohl der Druck mechanisch definiert wird, wird eine Druckmessvorrichtung, die als a genannt wird Barometer kann auch aus einer Probe eines idealen Gases gebaut werden, das bei konstanter Temperatur gehalten wird. EIN Kalorimeter ist ein Gerät, mit dem die interne Energie eines Systems gemessen und definiert wird.

Ein thermodynamisches Reservoir ist ein System, das so groß ist, dass seine Zustandsparameter nicht merklich geändert werden, wenn es mit dem interessierenden System in Kontakt gebracht wird. Wenn das Reservoir mit dem System in Kontakt gebracht wird, wird das System mit dem Reservoir ins Gleichgewicht gebracht. Beispielsweise ist ein Druckreservoir ein System mit einem bestimmten Druck, das diesen Druck auf das System auferlegt, an das es mechanisch angeschlossen ist. Die Erdatmosphäre wird oft als Druckreservoir verwendet. Der Ozean kann als Temperaturreservoir dienen, wenn sie Kraftwerke abkühlen.

Konjugierte Variablen

Das zentrale Konzept der Thermodynamik ist das von Energie, die Fähigkeit zu tun Arbeit. Bis zum Erstes GesetzDie Gesamtenergie eines Systems und seine Umgebung bleiben erhalten. Energie kann durch Erhitzen, Kompression oder Zugabe von Materie in ein System übertragen und aus einem System durch Kühlung, Ausdehnung oder Extraktion von Materie aus einem System extrahiert werden. Im MechanikZum Beispiel entspricht der Energieübertragung dem Produkt der auf einen Körper angewendeten Kraft und der daraus resultierenden Verschiebung.

Konjugierte Variablen sind Paare von thermodynamischen Konzepten, wobei die erste einer "Kraft" ähnlich ist, die auf einige angewendet wird Thermodynamisches System, der zweite ist der daraus resultierenden "Verschiebung" und das Produkt der beiden, die der übertragenen Energiemenge entspricht. Die gemeinsamen konjugierten Variablen sind:

• Druck-Volumen (das mechanisch Parameter);
• Temperatur-Entropie (thermische Parameter);
• Chemisches Potential-Partikelnummer (Materialparameter).

Potenziale

Thermodynamische Potentiale sind unterschiedliche quantitative Messungen der gespeicherten Energie in einem System. Potentiale werden verwendet, um die Energieveränderungen in Systemen zu messen, wenn sie sich von einem Anfangszustand zu einem endgültigen Zustand entwickeln. Das verwendete Potential hängt von den Einschränkungen des Systems ab, wie z. B. konstanter Temperatur oder Druck. Beispielsweise sind die Helmholtz- und Gibbs -Energien die Energien, die in einem System verfügbar sind, um nützliche Arbeiten zu erledigen, wenn die Temperatur und das Volumen oder der Druck und die Temperatur festgelegt sind.

Die fünf bekanntesten Potentiale sind:

Name	Symbol	Formel	Natürliche Variablen
Innere Energie	${\ displayStyle u}$	$oder$	${\ displayStyle s, v, \ {n_ {i} \}}$
Helmholtz freie Energie	${\ displayStyle f}$	${\ displayStyle u-ts}$	${\ displayStyle t, v, \ {n_ {i} \}}$
Enthalpie	${\ displayStyle H}$	${\ displayStyle u+pv}$	${\ displayStyle s, p, \ {n_ {i} \}}$
Gibbs freie Energie	${\ displayStyle g}$	${\ displayStyle u+pv-ts}$	${\ displayStyle t, p, \ {n_ {i} \}}$
Landau Potenzial oder Großartiges Potenzial	${\ displayStyle \ Omega}$, ${\ displaystyle \ phi _ {\ text {g}}}$	${\ displayStyle u-ts-}$${\ displayStyle \ sum _ {i} \,}$${\ displaystyle \ mu _ {i} n_ {i}}$	${\ displayStyle t, v, \ {\ mu _ {i} \}}$

wo ${\ displayStyle t}$ ist der Temperatur, ${\ displayStyle S}$ das Entropie, ${\ displayStyle p}$ das Druck, ${\ displayStyle v}$ das Volumen, ${\ displayStyle \ mu}$ das Chemisches Potential, ${\ displayStyle n}$ die Anzahl der Partikel im System und ${\ displayStyle i}$ ist die Anzahl der Partikeltypen im System.

Thermodynamische Potentiale können aus der auf ein thermodynamischen System angewendeten Energiebilanzgleichung abgeleitet werden. Andere thermodynamische Potentiale können ebenfalls erhalten werden Legendre -Transformation.

Angewandte Felder

Siehe auch

• Thermodynamischer Prozesspfad

Listen und Zeitpläne

• Liste wichtiger Veröffentlichungen in der Thermodynamik
• Liste der Lehrbücher zur Thermodynamik und der statistischen Mechanik
• Liste der thermischen Leitfähigkeiten
• Liste der thermodynamischen Eigenschaften
• Tabelle der thermodynamischen Gleichungen
• Zeitleiste der Thermodynamik

Anmerkungen

Verweise

Weitere Lektüre

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Externe Links

• Medien im Zusammenhang mit der Thermodynamik bei Wikimedia Commons

• Callendar, Hugh Longbourne (1911). "Thermodynamik". Encyclopædia Britannica. Vol. 26 (11. Aufl.). S. 808–814.
• Thermodynamikdaten- und Eigenschaftsberechnung Websites
• Thermodynamik -Bildungswebsites
• Biochemie Thermodynamik
• Thermodynamik und statistische Mechanik
• Technische Thermodynamik - ein grafischer Ansatz
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