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Thermodynamisches System 09:48 min

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Transkript 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 Ta = Tb = Tc 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!

Thermodynamisches System Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Thermodynamisches System kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe, was thermodynamische Systeme beschreiben.

    Tipps

    Bei der Thermodynamik geht es vor allem um die Wahrscheinlichkeit thermodynamischer Vorgänge.

    Lösung

    Was macht die Thermodynamik nun aus? Bzw. womit in Bezug auf Wärme beschäftigt sich die Thermodynamik?

    Nun, natürlich muss man auch wissen, wie man Temperatur berechnet, aber das macht die Thermodynamik im Grunde nicht aus. Im Wesentlichen beschäftigt sie sich mit der Umwandlung von Energie in andere Energieformen, wie z.B. Arbeit.

    Dabei wird aber nicht die Geschwindigkeit dieser Vorgänge betrachtet, sondern die Wahrscheinlichkeit der Vorgänge.

  • Nenne klassische Beispiele thermodynamischer Systeme.

    Tipps

    Sicher hat alles eine gewisse Temperatur und ist deshalb gewissermaßen von thermodynamischen Gesetzen betroffen, aber hier geht es nur um Systeme, bei denen dies tatsächlich eine Rolle spielt.

    Lösung

    Was sind denn nun thermodynamische Systeme und was nicht? Besser sollte man Fragen, bei welchen thermodynamischen Systemen spielt die Thermodynamik eine Rolle? Denn Wärme, bzw. das Fehlen von Wärme, umgangssprachlich auch Kälte genannt, ist überall.

    In thermodynamischen Systemen wird Wärme in andere Energieformen umgewandelt.

    Kerzen produzieren aktiv Wärme und um zu Brennen benötigen sie Wärme. Aus Feststoffen wird also Gas, die Thermodynamik ist hier also sehr wichtig.

    Erhitzt man Tee, wird durch Volumenänderungen aus Wärme Druck.

    Einen Tee kann man sicher auch kalt trinken, aber das Verhalten von Flüssigkeiten in Bezug auf Wärme ist immer wieder wichtig, auch im Alltag. Beim Teebeutel dagegen nicht. (Außer man möchte ihn verbrennen, dann ist es wie bei der Kerze.) Für den Baum gilt das dann auch.

    Bei dem Motor geht es ganz wesentlich um die Temperatur. Er produziert durch Verbrennung viel Wärmeenergie und wird es zu warm, geht er kaputt. Auch ist die Wärme teil der Erzeugung kinetischer Energie. Die Thermodynamik von Verbrennungsmotoren ist ein großes Forschungsgebiet und zwingend notwendig, um Autos zu verbessern.

  • Nenne die Eigenschaften von offenen, geschlossenen, abgeschlossenen Systemen.

    Tipps

    Stelle dir die Flüssigkeiten am besten als heißen Tee vor.

    Lösung

    Diese drei Systeme werden dir noch oft in Chemie und Physik begegnen. Eigentlich muss man sich hier aber nur die drei Begriffe merken, der Rest ist meist fast offensichtlich.

    Offene Systeme heißen offen, weil alles mögliche, also Stoffe und Energie, mit der Umgebung ausgetauscht werden (können), so zum Beispiel Dampf oder Ähnliches.

    Geschlossene Systeme lassen wie Vieles, was verschlossen/geschlossen ist, keine Stoffe durch, das bedeutet aber nicht, dass sie isoliert sind. Energie kann also weiterhin durch z.B. das Wandmaterial hindurch.

    Abgeschlossene Systeme sind komplett dicht, sie lassen keine Stoffe und im Idealfall auch keine Energie nach außen und nehmen auch keine von außen auf.

  • Erkläre die Gestaltung einer Motorkühlung.

    Tipps

    Versuche dir vorzustellen, wie du etwas am besten kühlst, z.B. wenn du einen Eiswürfel an ein Heißes Metallobjekt legst. Würdest du es an eine große oder kleine Fläche halten?

    Lösung

    Motoren sind alltägliche Gegenstände, ohne sie käme man heutzutage gar nicht mehr aus. Sie haben jedoch eine große Schwäche: Werden sie zu heiß, gehen sie kaputt oder schalten ab.

    Daher müssen sie gekühlt werden, Motorrad- oder Moped-Motoren werden oft nur luftgekühlt, da sie meist frei liegen und sowieso viel Fahrtwind abbekommen.

    Damit die Luft auch ordentlich Wärme aufnehmen kann, muss sie möglichst viel Kontakt mit dem Motor haben. Dafür sind Kühlrippen gedacht: Pfeift der Wind durch sie, ist die Luft vom Metall fast umgeben.

    Doch bei gut verpackten Automotoren reicht das nicht, bei ihnen wird die Wärme mit Wasser auf die gleiche Weise abgeleitet. Das Wasser muss dann allerdings durch den Fahrtwind an einer günstigeren Stelle gekühlt werden.

    All diese Methoden basieren auf dem Nullten Hauptsatz der Thermodynamik, dem Ausgleichen des Temperaturgefälles.

    Ein laufender Motor ist übrigens ein Nichtgleichgewichtssystem, wie die brennende Kerze. Schaltet er ab, begibt er sich in ein thermodynamisches Gleichgewicht.

  • Erkläre das Gleichgewicht thermodynamischer Systeme.

    Tipps

    Wenn auf einer Seite ständig neue Energie hinzugefügt wird, kann kein Gleichgewicht entstehen, schließlich erhält nur eine der Seiten ständig neue Energie, die erst langsamer an die andere Seite abgegeben werden kann.

    Lösung

    Thermodynamische Gleichgewichte sind für die Thermodynamik sehr wichtig und stellen sich meist von selbst ein.

    Es bedeutet, dass sich die Temperatur eines Systems an die der Umgebung angleicht, sich die Wärme also verteilt. Das gleiche gilt übrigens auch für den Druck.

    Wenn etwas kontinuierlich Wärme produziert, kann es nicht in ein Gleichgewicht gelangen, bis es aufhört ,Wärme zu produzieren.

  • Erkläre den 0. Hauptsatz der Thermodynamik.

    Tipps

    Energie bleibt stets erhalten, in diesem Modell ebenfalls. Die beschriebenen Systeme können zwar untereinander Energie austauschen (sie sind geschlossen), zusammen befinden sie sich aber in einem abgeschlossenen System und dessen Energien gehen nicht „abhanden".

    Lösung

    Der Nullte Hauptsatz beschreibt ein ganz grundsätzliches Verhalten von Wärme, daher ist er sehr wichtig.

    Thermodynamische Systeme streben nach thermischem Gleichgewicht. Das bedeutet, sie streben danach, Energie (also Wärme) abzugeben, bis die umliegenden Systeme die gleiche Temperatur haben.

    Würden sie mehr Energie abgeben, was sie durchaus gerne täten, so würde das andere System diese Energie gleich wieder zurück geben wollen, daher haben sie letztendlich die gleiche Energie.

    Das Bestreben eines Systems, Moleküls oder Atoms nach einem „energetisch günstigen Zustand" wird in der Chemie sehr oft thematisiert.