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Erster Hauptsatz der Thermodynamik 08:55 min

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Transkript 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.

6 Kommentare
  1. Die entsprechende Stelle wurde korrigiert.

    Von Karsten Schedemann, vor fast 2 Jahren
  2. In der Endlösung stehen anstatt 0.5L ganze 5L.

    Von N Remschel, vor fast 2 Jahren
  3. Vielen lieben Dank für die ausführliche Antwort (und für den Tipp, mich an Fachmanager/Produktionsleitung zu wenden) und ebenfalls schöne Osterfeiertage :-)

    Von Luitpold, vor mehr als 5 Jahren
  4. Liebe Olivia,
    vor einem knappen Jahr wurden vom damaligen Fachmanager für Physik einige Dutzend Physikthemen der Oberstufe für mich zum Videodreh zur Verfügung gestellt.
    Nach Abschluss der Arbeiten zum Spätherbst 2013 waren die Aufträge im Fach Physik erschöpft.
    Seitdem drehe ich wieder Videos im Fach Chemie.
    Meines Wissens gibt es ein derartiges Video für offene Systeme nicht. Ich kann mir auch nicht vorstellen, dass es in der aktuellen Planungsliste von Sofatutor enthalten ist.
    Eindeutige Aussagen darüber können dir der jetzige Physikfachmanager und die Leiterin der Produktion von sofatutor am Dienstag nach Ostern machen.
    Tipp von mir: Zwischen 10.00 Uhr und 10.30 bitte nicht anrufen, da da in diesem Zeitfenster die Tagesbesprechungen stattfinden.
    Es tut mir Leid, dass ich dir keine zufriedenstellende Auskunft geben kann.
    Ich wünsche dir noch ein frohes und gesundes Osterfest und viel Erfolg in der Schule oder beim Studium.
    André Otto

    Von André Otto, vor mehr als 5 Jahren
  5. Gibt es auch Videos zur Thermodynamik im offenen System oder sind solche noch geplant?

    Von Luitpold, vor mehr als 5 Jahren
  1. gute video :)!

    Von Areem Sara, vor mehr als 5 Jahren
Mehr Kommentare

Erster Hauptsatz der Thermodynamik Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Erster Hauptsatz der Thermodynamik kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe den Energieerhaltungssatz.

    Tipps

    Überlege: Wo ginge denn „verbrauchte" Energie hin?

    Lösung

    Der Energieerhaltungssatz ist einer der grundlegendsten Sätze der Chemie und Physik. Er besagt, dass Energie eine „Erhaltungsgröße" ist.

    Das bedeutet: Egal was du mit Energie machen willst, du kannst sie nicht vernichten oder loswerden.

    „Energie kann nicht produziert oder vernichtet werden." Sie kann nur umgewandelt werden.

    Wenn also z.B. bei einem mechanischen Vorgang kinetische Energie in z.B. elektrische Energie und Reibung, also Wärmeenergie, umgewandelt wird (z.B. bei einem Stromgenerator), dann muss die Energie, die vorher da war, nachher immer noch da sein. Die kinetische Energie vorher muss also gleich der elektrischen und Wärmeenergie sein.

    $E_{kin}=E_{elektrisch}+E_{Wärme}$.

    Das ganze gilt für abgeschlossene Systeme, allerdings ist das Universum für uns an sich abgeschlossen. Einzelne Systeme können allerdings auch offen oder geschlossen sein. Betrachtet man nur diese könnte man die austretende Energie als „verloren" bezeichnen, wobei wir sie dann aber nur nicht mehr betrachten.

  • Nenne die Sonderfälle des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik.

    Tipps

    „Iso-" bedeutet im Grunde so etwas wie gleich oder gleichbleibend. Der zweite Teil des Wortes gibt dann einen Hinweis darauf, welche Größe gleich bleibt.

    Lösung

    Diese Zustandsänderungen sind durchaus interessant, da es bei ihnen immer eine Größe gibt, die konstant bleibt. Bzw. bedeutet dies eher, dass eine Zustandsveränderung mit jeder thermodynamischen Größe funktioniert.

    So kann man, wie bei der Dampflok, die Temperatur konstant lassen. Das nennt man dann „isotherm".

    Beim Schnellkochtopf bleibt das Volumen gleich. Das nennt man dann „isochor".

    Beim Strahltriebwerk bleibt der Druck gleich. Das nennt man dann „isobar".

    Findet, wie beim Dieselmotor, kein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt, so heißt es „adiabatisch".

  • Nenne die Energieformen, die zur inneren Energie gehören.

    Tipps

    Innere Energie findet sich bei Vorgängen zwischen Molekülen und Atomen.

    Lösung

    Die innere Energie fasst die Energie(formen) abgeschlossener Systeme zusammen. Oft redet man bei molekularen Vorgängen von innerer Energie.

    Solche Energieformen sind kinetische Energie, welche bei sich bewegenden Molekülen/Atomen letztendlich Wärme ist, die potentielle Energie, die chemische Energie, welche Moleküle zusammenhält, und die Kernenergie, welche sozusagen die potentielle Energie der Atomkerne ist.

    Die Strahlungsenergie und die elektrische Energie sind jeweils eigene Gruppen von Energieformen, wie es auch die innere Energie ist.

  • Berechne die Endtemperatur des gemischten Wassers.

    Tipps

    Die Lösung erhältst du über einen Mittelwert.

    Lösung

    Du kannst dir sicher denken, wieso man wissen möchte, wie warm Flüssigkeiten noch sind, nachdem man sie mischt.

    Das macht man mit dem Mittelwert, besser gesagt dem arithmetischen Mittel. Dabei gilt es die Gewichtung der Flüssigkeiten zu beachten! Mehr Wasser bedeutet, dass dessen Temperatur stärker ins Gewicht fällt.

    Mit dem arithmetischen Mittel hast du vielleicht schon gearbeitet, hier ist es im Grunde dasselbe. Leichter wird es, wenn man das gesamte Wasser in $100~\text{ml}$ mit dazugehöriger Temperatur teilt. Dann bekommt man $10$ Temperaturwerte, die sich wie gewohnt leicht mitteln lassen:

    $T=\dfrac{0,2 \text{L}\cdot 36^\circ \text{C}+0,3 \text{L}\cdot 12^\circ \text{C}+0,5\text{L}\cdot 70^\circ\text{C}}{1\text{L}}=45,8^\circ~\text{C}$

  • Erkläre das Perpetuum mobile.

    Tipps

    Ein Perpetuum mobile ist ein Gerät, das ohne Zufuhr von Energie ewig laufen soll.

    Lösung

    Das Perpetuum mobile ist der Wunschtraum aller Wissenschaftler, eine Maschine die sich ewig weiterbewegt, ohne dass man ihr Energie zuführen muss. Allerdings existiert solch ein Gerät nicht.

    Zumal kein System in der Realität einen Wirkungsgrad von 100% hat, verrichtet kein System Arbeit, ohne seine Energie zu verändern - d.h. ohne dass Energie hinzugeführt oder die innere Energie verringert wird.

  • Erkläre den ersten Hauptsatz der Thermodynamik.

    Tipps

    Stelle dir, wie im Video, eine Spritze vor, bei der man Arbeit verrichtet, indem man den Kolben hereindrückt und die Spitze verschließt oder indem man die Luft im Kolben erwärmt (wodurch sie sich ausdehnt).

    Lösung

    In geschlossenen Systemen kann grundsätzlich nur Energietransport stattfinden.

    Fügt man diesem System also Energie in Form von Arbeit hinzu, so kann diese, z.B. durch Druck, Erhöhung oder Reibung, Wärme produzieren. Andersherum dehnen sich Stoffe unter Wärmeeinwirkung aus, wodurch Arbeit verrichtet wird.

    Daraus folgt dann der erste Hauptsatz der Thermodynamik, welcher die Energieänderung beschreibt als: $\Delta E=W+Q$.