Was ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik?

Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme eine Energieform ist und thermodynamische Prozesse daher dem Prinzip der Energieeinsparung unterliegen. Dies bedeutet, dass Wärmeenergie nicht erzeugt oder zerstört werden kann. Es kann jedoch von einem Ort zum anderen übertragen und in andere Energieformen umgewandelt werden.

Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der sich mit den Beziehungen zwischen Wärme und anderen Energieformen befasst. Insbesondere wird beschrieben, wie Wärmeenergie in und aus anderen Energieformen umgewandelt wird und wie sie die Materie beeinflusst. Die Grundprinzipien der Thermodynamik werden in vier Gesetzen ausgedrückt.

„Das erste Gesetz besagt, dass die innere Energie eines Systems gleich der Arbeit sein muss, die am System ausgeführt wird, plus oder minus der Wärme, die in das System ein- oder ausströmt, und jeder anderen Arbeit, die am System ausgeführt wird“, sagte Saibal Mitra, Professor für Physik an der Missouri State University. „Es ist also eine Neuformulierung der Energieeinsparung.“

Mitra fuhr fort: „Die Änderung der inneren Energie eines Systems ist die Summe aller Energieein- und -ausgänge zum und vom System, ähnlich wie alle Ein- und Auszahlungen, die Sie vornehmen, die Änderungen in Ihrem Bankguthaben bestimmen.“ Dies wird mathematisch ausgedrückt als: ΔU = Q – W, wobei ΔU die Änderung der inneren Energie ist, Q die dem System hinzugefügte Wärme ist und W die vom System geleistete Arbeit ist.

Geschichte

Wissenschaftler im späten 18. und frühen 19.Jahrhundert hielten an der Kalorientheorie fest, die erstmals 1783 von Antoine Lavoisier vorgeschlagen und 1824 von Sadi Carnot nach Angaben der American Physical Society weiter gestärkt wurde. Die kalorische Theorie behandelte Wärme als eine Art Flüssigkeit, die auf natürliche Weise von heißen zu kalten Regionen floss, ähnlich wie Wasser von hohen zu niedrigen Stellen fließt. Wenn diese kalorische Flüssigkeit von einer heißen in eine kalte Region floss, konnte sie in kinetische Energie umgewandelt und so viel Arbeit geleistet werden, wie fallendes Wasser ein Wasserrad antreiben könnte. Erst als Rudolph Clausius 1879 „The Mechanical Theory of Heat“ veröffentlichte, wurde die kalorische Theorie endgültig zur Ruhe gebracht.

Thermodynamische Systeme

Energie kann in zwei Teile geteilt werden, so David McKee, Professor für Physik an der Missouri Southern State University. Einer ist unser makroskopischer Beitrag im menschlichen Maßstab, wie ein Kolben, der sich bewegt und auf ein Gassystem drückt. Umgekehrt passieren Dinge in einem sehr kleinen Maßstab, in dem wir die einzelnen Beiträge nicht im Auge behalten können.

McKee erklärt: „Wenn ich zwei Metallproben gegeneinander stelle und die Atome an der Grenze herumrasseln und zwei Atome ineinander prallen und eines davon sich schneller löst als das andere, kann ich es nicht verfolgen. Es passiert auf einer sehr kleinen Zeitskala und einer sehr kleinen Entfernung, und es passiert viele, viele Male pro Sekunde. Also teilen wir einfach alle Energieübertragung in zwei Gruppen ein: die Dinge, die wir im Auge behalten werden, und die Dinge, die wir nicht im Auge behalten werden. Letzteres nennen wir Wärme.“

Thermodynamische Systeme werden allgemein als offen, geschlossen oder isoliert angesehen. Laut der University of California, Davis, tauscht ein offenes System frei Energie und Materie mit seiner Umgebung aus; ein geschlossenes System tauscht Energie, aber keine Materie mit seiner Umgebung aus; und ein isoliertes System tauscht keine Energie oder Materie mit seiner Umgebung aus. Zum Beispiel empfängt ein Topf mit kochender Suppe Energie vom Herd, strahlt Wärme von der Pfanne ab und gibt Materie in Form von Dampf ab, der auch Wärmeenergie abführt. Das wäre ein offenes System. Wenn wir einen dichten Deckel auf den Topf setzen, würde er immer noch Wärmeenergie ausstrahlen, aber keine Materie mehr in Form von Dampf abgeben. Dies wäre ein geschlossenes System. Wenn wir die Suppe jedoch in eine perfekt isolierte Thermosflasche gießen und den Deckel verschließen würden, würde keine Energie oder Materie in das System gelangen oder es verlassen. Dies wäre ein isoliertes System.

In der Praxis können jedoch keine vollkommen isolierten Systeme existieren. Alle Systeme übertragen Energie durch Strahlung an ihre Umgebung, egal wie gut isoliert sie sind. Die Suppe in der Thermoskanne bleibt nur wenige Stunden heiß und erreicht am nächsten Tag Raumtemperatur. In einem anderen Beispiel können weiße Zwergsterne, die heißen Überreste ausgebrannter Sterne, die keine Energie mehr produzieren, durch Lichtjahre nahezu perfektes Vakuum im interstellaren Raum isoliert werden, aber sie werden schließlich aufgrund von Energieverlust durch Strahlung von mehreren zehntausend Grad auf nahezu den absoluten Nullpunkt abkühlen. Obwohl dieser Prozess länger dauert als das gegenwärtige Zeitalter des Universums, gibt es kein Halten mehr.

Wärmekraftmaschinen

Die häufigste praktische Anwendung des Ersten Gesetzes ist die Wärmekraftmaschine. Wärmekraftmaschinen wandeln Wärmeenergie in mechanische Energie um und umgekehrt. Die meisten Wärmekraftmaschinen fallen in die Kategorie der offenen Systeme. Das Grundprinzip einer Wärmekraftmaschine nutzt die Zusammenhänge zwischen Wärme, Volumen und Druck eines Arbeitsmediums. Diese Flüssigkeit ist typischerweise ein Gas, aber in einigen Fällen kann es Phasenänderungen von Gas zu Flüssigkeit und zurück zu einem Gas während eines Zyklus erfahren.

Wenn Gas erhitzt wird, dehnt es sich aus; Wenn dieses Gas jedoch begrenzt ist, steigt der Druck an. Wenn die untere Wand der Einschlusskammer die Oberseite eines beweglichen Kolbens ist, übt dieser Druck eine Kraft auf die Oberfläche des Kolbens aus, wodurch er sich nach unten bewegt. Diese Bewegung kann dann genutzt werden, um Arbeit zu verrichten, die der Gesamtkraft entspricht, die auf die Oberseite des Kolbens ausgeübt wird, mal der Entfernung, die der Kolben bewegt.

Es gibt zahlreiche Varianten der Basis-Wärmekraftmaschine. Zum Beispiel verlassen sich Dampfmaschinen auf externe Verbrennung, um einen Kesseltank zu erhitzen, der das Arbeitsfluid, typischerweise Wasser, enthält. Das Wasser wird in Dampf umgewandelt, und der Druck wird dann verwendet, um einen Kolben anzutreiben, der Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt. Automobilmotoren verwenden jedoch eine interne Verbrennung, bei der flüssiger Kraftstoff verdampft, mit Luft gemischt und in einem Zylinder über einem beweglichen Kolben gezündet wird, der ihn nach unten treibt.

Kühlschränke, Klimaanlagen und Wärmepumpen

Kühlschränke und Wärmepumpen sind Wärmekraftmaschinen, die mechanische Energie in Wärme umwandeln. Die meisten davon fallen in die Kategorie der geschlossenen Systeme. Wenn ein Gas komprimiert wird, steigt seine Temperatur an. Dieses heiße Gas kann dann Wärme an seine Umgebung übertragen. Wenn dann das komprimierte Gas expandieren kann, wird seine Temperatur kälter als vor der Komprimierung, da ein Teil seiner Wärmeenergie während des heißen Zyklus entfernt wurde. Dieses kalte Gas kann dann Wärmeenergie aus seiner Umgebung aufnehmen. Dies ist das Arbeitsprinzip hinter einer Klimaanlage. Klimaanlagen erzeugen eigentlich keine Kälte; Sie entfernen Wärme. Das Arbeitsfluid wird von einer mechanischen Pumpe nach außen gefördert, wo es durch Kompression erwärmt wird. Als nächstes überträgt es diese Wärme an die Außenumgebung, normalerweise durch einen luftgekühlten Wärmetauscher. Dann wird es wieder ins Haus gebracht, wo es sich ausdehnen und abkühlen kann, so dass es Wärme aus der Raumluft durch einen anderen Wärmetauscher aufnehmen kann.

Eine Wärmepumpe ist einfach eine Klimaanlage, die umgekehrt betrieben wird. Die Wärme aus dem komprimierten Arbeitsfluid wird zur Erwärmung des Gebäudes verwendet. Es wird dann nach außen übertragen, wo es sich ausdehnt und kalt wird, wodurch es Wärme von der Außenluft aufnehmen kann, die selbst im Winter normalerweise wärmer ist als das kalte Arbeitsfluid.

Geothermische oder erdgebundene Klimaanlagen und Wärmepumpensysteme verwenden lange U-förmige Rohre in Tiefbrunnen oder eine Reihe horizontaler Rohre, die in einem großen Bereich vergraben sind, durch den das Arbeitsfluid zirkuliert und Wärme auf oder von der Erde übertragen wird. Andere Systeme benutzen Flüsse oder Ozeanwasser, um die Arbeitsflüssigkeit zu erhitzen oder abzukühlen.

Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme eine Energieform ist und thermodynamische Prozesse daher dem Prinzip der Energieeinsparung unterliegen. Dies bedeutet, dass Wärmeenergie nicht erzeugt oder zerstört werden kann. Es kann jedoch von einem Ort zum anderen übertragen und in andere Energieformen umgewandelt werden. Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der sich mit den…

Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme eine Energieform ist und thermodynamische Prozesse daher dem Prinzip der Energieeinsparung unterliegen. Dies bedeutet, dass Wärmeenergie nicht erzeugt oder zerstört werden kann. Es kann jedoch von einem Ort zum anderen übertragen und in andere Energieformen umgewandelt werden. Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der sich mit den…

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