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Thermodynamisches System

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Die Autor*innen
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André Otto
Thermodynamisches System
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Thermodynamisches System Übung

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  • 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 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 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.

  • 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.

  • 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.

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