Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Hallo und herzlich willkommen! Dieses Video heißt: Erster Hauptsatz der Thermodynamik. Du kennst thermodynamische Systeme, die allgemeine Gasgleichung und den Nullten Hauptsatz der Thermodynamik. Nachher kennst du die innere Energie, hast den Begriff der Wärme wiederholt und du weißt, was Wärmeaustausch und der erste Hauptsatz der Thermodynamik bedeuten. Der Film besteht aus sechs Abschnitten: 1. Energieerhaltungssatz, 2. Die innere Energie, 3. Änderung der inneren Energie, 4. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, 5. Das Perpetuum mobile und 6. Sonderfälle zum ersten Hauptsatz der Thermodynamik. 1. Energieerhaltungssatz: Aus Erfahrung wissen wir, Energie kann weder verschwinden noch entstehen. Die unterschiedlichen Energieformen sind ineinander umwandelbar. Nehmen wir die mechanische Energie. Potentielle Energie ist umwandelbar in kinetische Energie und diese wiederum in potentielle Energie. Q, die Wärme, ist auch eine Energieform. Wird sie zugeführt, steigt die Temperatur. Mechanische Energie lässt sich leicht in Wärme überführen, denkt an die Reibung. In Wärmekraftmaschinen geschieht der umgekehrte Prozess. Zwei weitere Energieformen sind die elektrische Energie und die chemische Energie, hier präsentiert durch Methan. Durch Verbrennung kann man chemische Energie in Wärme umwandeln. Bei chemischen Reaktionen ist auch der umgekehrte Prozess möglich. Mechanische Energie wird in elektrische Energie, im Generator, umgewandelt. Der umgekehrte Vorgang geschieht im Elektromotor. Aus elektrischer Energie entsteht Wärme, zum Beispiel in einer elektrischen Heizung. Den umgekehrten Prozess beobachten wir im Thermoelement. In gleicher Weise ist die Lichtenergie mit der elektrischen Energie und der chemischen Energie verknüpft. Findet selbst Beispiele dafür. Wir formulieren: Die Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant. Stoffaustausch und Energieaustausch sind hier null. Betrachten wir zwei Systeme 1 und 2, die nach außen hin abgeschlossen sind und nur miteinander durch Energieaustausch kommunizieren. Die Gesamtenergieänderung ist die Summe der Energieänderungen beider Systeme. Da die Systeme abgeschlossen sind, gibt es auch keinen Energieaustausch mit der Umgebung. Also Delta E = 0. Wir erhalten Delta E₂ = - Delta E₁. Wenn eine Energiedifferenz größer als null ist, spricht man von Energieaufnahme. Im gegenteiligen Fall haben wir Energieabgabe. Wir rechnen immer: Prozessende minus Prozessanfang. 2. Die innere Energie: Wissenschaftlich schreibt man, für mich auch so gewohnt, für die innere Energie, die eine Zustandsgröße ist, das Symbol U. Um mit modernen Lehrbüchern für die Schule übereinzustimmen, wähle ich hier jedoch das große E. Die innere Energie ist die gesamte Energie eines abgeschlossenen Systems. Die innere Energie E setzt sich im Wesentlichen aus vier Hauptkomponenten zusammen. Das ist die kinetische Energie, also die Bewegungsenergie der Teilchen. Die potentielle Energie, das heißt, welche Wechselwirkung die Teilchen untereinander ausüben. Die chemische Energie, die dazu führt, dass Atome größere Teilchen, die Moleküle, bilden. Und schließlich die Energie der Kernbausteine. 3. Änderung der inneren Energie: In der Praxis ist die Bestimmung absoluter Werte von E problematisch, wenn nicht sogar unmöglich. Als Ausweg verwendet man in der Thermodynamik daher die Differenz zweier Zustände: Delta E = E₂ - E₁. 4. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik: Als Erstes stellen wir uns vor, wir drücken den Kolben in den Zylinder. Wir verrichteten Arbeit am System. Auch das System leistet Arbeit, wenn der Kolben wieder herausgedrückt wird. Also, die Änderung der inneren Energie Delta E ist gleich der Arbeit W. Und nun wird es etwas kniffliger. Wir erwärmen das im Kolben enthaltene Gas durch heißes Wasser, in das wir den Kolben stellen. Durch das heiße Wasser wird der Kolben aus dem Zylinder gedrückt. Fall b: Delta E = Q, Wärme. Wir können uns überlegen, dass die Fälle A und B auch zusammen auftreten können. Und somit haben wir den ersten Hauptsatz der Thermodynamik formuliert: Delta E = W + Q. Die innere Energie eines geschlossenen Systems kann durch den Austausch von Arbeit und/oder Wärme mit der Umgebung verändert werden. Manchmal schreibt man auch so: Die Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant. Diese Formulierung macht klar, wie weit der erste Hauptsatz der Thermodynamik mit dem Energieerhaltungssatz verbunden ist. 5. Das Perpetuum mobile: Eine deutsche Übersetzung des Lateinischen gibt es praktisch nicht. Es heißt in ungefähr „das ewig Laufende“, eine Vorrichtung, die ständig läuft, ohne dass ihr Energie zugeführt wird. Was sagt die Wissenschaft? Ein Perpetuum mobile erster Art ist unmöglich. „Erster Art“ bedeutet, dass η, das heißt der Wirkungsgrad, 100 % beträgt. Ein Perpetuum mobile erster Art nutzt nur Energie zur Eigenbewegung. Begründung: Kein System verrichtet Arbeit ohne Zufuhr einer anderen Energieform und/oder ohne Verringerung seiner inneren Energie. 6. Sonderfälle zum ersten Hauptsatz der Thermodynamik: Sonderfall bedeutet, dass der erste Hauptsatz der Thermodynamik gewissen Beschränkungen unterworfen wird. Vier Fälle für eine solche Zustandsänderung sind zu nennen. Die isotherme Zustandsänderung: Die Temperatur bleibt unverändert. Ein Beispiel dafür ist die Dampfmaschine. Der zweite Grenzfall ist der isochore: Das Volumen bleibt unverändert. Ein Beispiel dafür ist der Schnellkochtopf. Isobar bedeutet, der Druck bleibt unverändert. Ein solcher Prozess läuft im Strahltriebwerk ab. Adiabatisch bedeutet, es findet kein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt. Ein Beispiel dafür ist der Kompressionstakt beim Dieselmotor. Ja, liebe Leute, das war's auch schon wieder. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss.