Thermodynamisches System

Hallo und ganz herzlich willkommen! Dieses Video heißt „Thermodynamisches System‟. Du kennst bereits die Begriffe Druck, Temperatur, Arbeit, Energie. Nachher kannst du verschiedene Arten thermodynamischer Systeme erklären, du kennst die Begriffe „Gleichgewicht‟ und „Nichtgleichgewicht‟ und den Nullten Hauptsatz der Thermodynamik. Der Film besteht aus fünf Abschnitten: Erstens, Thermodynamisches System; zweitens, Verschiedene thermodynamische Systeme; drittens, Zusammenhang zwischen System und Gleichgewicht; viertens, Nullter Hauptsatz der Thermodynamik und fünftens, Nichtgleichgewichtssysteme. Erstens, Thermodynamisches System. Zwei Beispiele für thermodynamische Systeme sind der Kolbenraum eines Verbrennungsmotors und eine brennende Kerze. Es handelt sich hier jeweils um einen Bereich, in dem thermodynamische Prozesse ablaufen. Wir befinden uns hier in einem wichtigen Teilgebiet der Physik, der Thermodynamik. Anstelle von Thermodynamik sagt man auch seltener Wärmelehre. Ihr Untersuchungsgegenstand ist die Umwandlung von Wärme in andere Energieformen. Sie behandelt das Problem, wie aus Wärme Arbeit entsteht. Das hat großen praktischen Nutzen in Wärmekraftmaschinen. Ganz wichtig, es geht hier immer um die Wahrscheinlichkeit thermodynamischer Vorgänge. Die Geschwindigkeit dieser Vorgänge wird nicht untersucht. Zweitens, Verschiedene thermodynamische Systeme. Wir treffen sie täglich und fast überall an. Zum Beispiel hier, ich habe mir gerade einen Tee gebrüht. Ein zweiter frisch gebrühter Tee. Im Unterschied zum ersten Teeglas wird dieses aber abgedeckt. Und nochmal mein Tee, diesmal in einer Thermosflasche. Drei Mal Tee. Wo ist da nun der Unterschied? Das Glas links steht offen. In der Mitte ist es abgedeckt und in der Thermosflasche rechts ist der Tee wärmeisoliert. Und schon haben wir drei verschiedene thermodynamische Systeme. Das System links nennt man „offen‟, das in der Mitte „geschlossen‟ und das System rechts heißt „abgeschlossen‟. Zu abgeschlossenen Systemen sagt man auch manchmal: Sie sind „isoliert‟. Diese drei Arten thermodynamischer Systeme unterscheiden sich durch den Austausch mit der Umgebung. Aus dem offenen System entweichen Wärme und Wasserdampf in die Umgebung. Ein Austausch mit der Umgebung findet statt, von Energie und Materie. Aus dem geschlossenen System wird Wärme an die Umgebung abgegeben. Es findet ein Austausch mit der Umgebung von Energie statt. Der Teller, so hoffe ich zumindest, verhindert ein Entweichen von Wasserdampf. Materie wird mit der Umgebung nicht ausgetauscht. Ein ideal abgeschlossenes, also isoliertes thermodynamisches System kann mit der Umgebung weder Energie noch Materie austauschen. Drittens, Zusammenhang zwischen System und Gleichgewicht. Bereits die Kerze kann uns dazu etwas lehren. Während des Abbrennens steht die Kerze in einem Nichtgleichgewicht mit der Umgebung. Ständig werden Energie und Materie an die Umgebung abgegeben. Durch das Abbrennen jedoch gelangt die Kerze in ein Gleichgewicht mit der Umgebung. Es ist erreicht, wenn die Kerze vollständig abgebrannt ist. Um ein thermodynamisches System zu charakterisieren, sagt man, dass es sich in einem Zustand befindet. Dieser Zustand wird durch Zustandsgrößen charakterisiert. Zustandsgrößen sind: p, der Druck, T, die Temperatur und V, das Volumen. Aus der Erfahrung weiß man, dass ein thermodynamisches System das Bestreben hat ins thermodynamische Gleichgewicht überzugehen. Nehmen wir an, System und Umgebung befinden sich in einem Nichtgleichgewicht. So wird sich dieses Nichtgleichgewicht unablässig verändern und zwar so lange, bis System und Umgebung in einem Gleichgewicht stehen. Was bedeutet das aber, ein Gleichgewicht? In der Thermodynamik arbeitet man häufig mit einem geschlossenen System. Geschlossen heißt, es wird nur Energie ausgetauscht, keine Materie. Ein Gleichgewicht liegt genau dann vor, wenn Druck und Temperatur unverändert bleiben. Das ist möglich, wenn das System und die Umgebung gleiche Temperaturen haben. Das heißt, die Temperaturdifferenz ist Null. Und ebenso sind die Drücke des Systems und der Umgebung gleich. Das heißt, ihre Differenz ist Null. Es handelt sich hier um ein dynamisches Gleichgewicht. Es reagiert empfindlich auf Veränderungen der Zustandsgrößen. Erhöht man die Temperatur des Systems, so kommt es im Weiteren zu einer Abkühlung. Die Temperatur sinkt, bis sie die Temperatur der Umgebung erreicht hat. Das Gleiche, aber in umgekehrter Richtung, passiert, wenn die Temperatur des Systems abgesenkt wird. Im Weiteren wird die Temperatur des Systems zunehmen, bis die Temperaturen von System und Umgebung gleich sind. Wenn unser System mit einem frei beweglichen Kolben versehen ist, so finden wir für den Druck das Gleiche. Bei Druckerhöhung wird der Druck des Systems allmählich abnehmen bis zu dem Punkt, wo die Drücke von System und Umgebung gleich sind. Wird der Druck abgesenkt, so wird der Außendruck dazu führen, dass der Druck des Systems allmählich ansteigt. Das wird so lange vor sich gehen, bis die Drücke von System und Umgebung gleich sind. Viertens, Nullter Hauptsatz der Thermodynamik oder der Wärmelehre. Er ist das Fundament für die weiteren Hauptsätze, wurde aber als letzter entdeckt, daher Nullter Hauptsatz. Wir betrachten einen Ausgangszustand, der allmählich in einen Gleichgewichtszustand übergeht. Betrachtet werden drei Systeme A, B und C, die in thermischem Kontakt sind. Das heißt, sie sind geschlossen. Nach Erreichen des Gleichgewichts bleiben die Zustände von A, B und C unverändert. Das bedeutet, wenn die Temperatur von A größer ist als von B und die ist gleich der Temperatur von C, so kommt es nach Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts zu Folgendem: Die Temperaturen von A, B und C sind nun gleich. Man nennt den Nullten Hauptsatz auch das „Gesetz des thermischen Gleichgewichts‟. Bei kontaktierenden Systemen findet ein vollständiger Temperaturausgleich bis T_a = T_b = T_c statt. Fünftens, Nichtgleichgewichtssysteme. Auch die Nichtgleichgewichtssysteme spielen in der Praxis eine große Rolle. Ich möchte hier einige Beispiel nennen: das globale Wettergeschehen, der Golfstrom, eine brennende Kerze und alle Lebewesen. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich danke für eure Aufmerksamkeit, tschüss!