Thermodynamik für Dummies E-Book

Raimund Ruderich

• Herausgeber: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: ...für Dummies
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 585

Veröffentlichungsjahr: 2017

Beschreibung

Müssen Sie sich mit Thermodynamik beschäftigen, fürchten sich aber davor und wissen nicht genau, wo und wie Sie anfangen sollen? Dann ist dies das richtige Buch für Sie. Zuerst werden Stoffeigenschaften der Materie verständlich vermittelt. Dann folgen das Energieprinzip, die berühmten Hauptsätze, das Spezialwissen und die Anwendungen. Anschauliche Beispiele aus der Praxis mit vollständigen Lösungen erweitern Ihr Verständnis. Die dort vorgestellten Lösungsstrategien sind universal und befähigen Sie, auch andere Aufgaben zu lösen. Dieses Buch wird Sie der Thermodynamik näherbringen und Ihre Sicht auf das Fach positiv verändern.

Leseprobe

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WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

Thermodynamik für Dummies

Raimund Ruderich

2. Auflage

Fachkorrektur von Bernhard Gerl

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

2. Auflage 2017

© 2017 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation ­published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.

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Korrektur Bernhard Gerl

Satz/ePub Reemers Publishing Services GmbH, Krefeld

Print ISBN: 978-3-527-71429-2

ePub ISBN: 978-3-527-81191-5

mobi ISBN: 978-3-527-81192-2

Inhaltsverzeichnis

Cover

Über den Autor

Danksagung

Einführung

Über dieses Buch

Konventionen in diesem Buch

Törichte Annahmen über den Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Teil I: Die exakten Grundlagen

Teil II: Stoffgesetze und ihre praktischen Anwendungen

Teil III: Energieprinzip, Hauptsätze und Entropie

Teil IV: Thermodynamische Kreisprozesse

Teil V: Wasser und Wasserdampf

Teil VI: Chemische Thermodynamik

Teil VII: Der Top-Ten-Teil

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Wie es weitergeht

Teil I: Die exakten Grundlagen

Kapitel 1: Warum ist die Thermodynamik wichtig

Was genau ist Thermodynamik?

Systeme grenzen Prozesse ab

Wie die Temperatur die Eigenschaften der Materie verändert

Aggregatszustände

Die Stellung der Thermodynamik in der Ingenieurwissenschaft

Grundgleichungen der technischen Mechanik

Flüssigkeiten sind geschmolzene Festkörper, Gase sind Flüssigkeitsdämpfe

Grundgleichungen der Strömungsmechanik

Gibt es für Temperaturfelder auch eine Grundgleichung?

Ganzheitliche Betrachtung der Grundgleichungen

Kapitel 2: Betrachtung der Materie mit Feldgrößen

Grundgrößen der Thermodynamik

Verbrennen Sie sich nicht die Finger: Die Temperatur

Unter Druck

Was noch bleibt: Masse, Volumen, Dichte

Wie lassen sich die Grundgrößen exakt berechnen?

Kontinuitätsgleichung oder Erhaltungsgleichung für die Masse

Das Strömungsfeld als Rechengebiet

Die Bilanz der Masse anschaulich gemacht

Anwendungsbeispiel: Wie funktioniert ein Ram-Jet?

Anwendungsbeispiel: Trägerrakete

Spezialfälle der Kontinuitätsgleichung

Die Kontinuitätsgleichung für stationäre Strömungen

Die Kontinuitätsgleichung für stationäre und inkompressible Strömungen

Die eindimensionale und stationäre Kontinuitätsgleichung

Beispiel: Stromverzweigung in einer Wasserleitung

Die berühmten Navier-Stokes-Gleichungen

Das hydrostatische Grundgesetz

Was Sie bisher gelernt haben

Was noch kommt

Gleichung für das Temperaturfeld

Was Wärmeleitung ist

Eindimensionale und instationäre Wärmeleitung in Festkörpern

Die eindimensionale Temperaturverteilung in einer unendlich ausgedehnten Wand

Temperaturerhöhung durch adiabatische Kompression

Beispiel: Instationäre Wärmeleitung in einer ebenen Wand mit variablen Rand- und Anfangsbedingungen

Eine Grundgleichung fehlt noch!

Kapitel 3: Makroskopische Betrachtung der Materie

Aus Feldgrößen werden Zustandsgrößen

Erster Handschlag: System abgrenzen

Zweiter Handschlag: Systeme leben von Zustandsgrößen

Thermodynamik verbindet Physik mit Chemie

Masse und Stoffmenge

Eine berühmte Naturkonstante: Avogadro-Zahl

Grundgrößen der Physik und Chemie

Druckmessgeräte: Manometer und Barometer

Der thermodynamische Zustand eines Stoffes

Physik und Technik: Der Normzustand eines Gases

Chemie: Der Standardzustand eines Gases

Eine andere berühmte Naturkonstante: Loschmidt-Zahl

Das Molvolumen

Kompressibilität der Fluide

Ausgangssituation: Ein Festkörper

Vom Festkörper zum Fluid: Hooke'sches Gesetz der Fluide

Beispiel: Gesucht ist der Kompressibilitätsmodul von Wasser bei verschieden Temperaturen?

Beispiel: Wie groß ist die Dichte von Wasser bei 600 bar?

Ihr erster Kontakt mit dem idealen Gas

Was ist eigentlich die Temperatur?

Teil II: Stoffgesetze und ihre praktische Anwendung

Kapitel 4: Zustandsgleichungen der idealen Gase

Ideale Gase

Die Modelleigenschaften der idealen Gase

Geschichte der idealen Gasgleichung

Heute: Die Vereinigung der Gasgesetze ist die ideale Gasgleichung

Weitere praktische Formen der idealen Gasgleichung

Übung macht den Meister: Beispiele

Folgerungen aus der idealen Gasgleichung

Die ideale Gasgleichung für relative Zustandsänderungen

Die Vereinigung der Koeffizienten

Was auch immer kommt: praktische Beispiele lösen

Kapitel 5: Reale Gase

Wie erkennen Sie ein reales Gas?

Der genaue Blick auf die Realgasgleichung

Entscheidungskriterium: Ideales oder reales Gas?

Die Van-der-Waals-Zustandsgleichung für reale Gase

Eigenschaften der Van-der-Waals-Gasgleichung

Kritischer Druck und kritische Temperatur eines Gases

Die kritischen Daten eines Gases berechnen

Kapitel 6: In der Nähe des absoluten Nullpunkts

Den absoluten Nullpunkt bestimmen

Absolute Temperaturskala und andere Skalen

Ein Maß für die Wärmeaufnahme eines Stoffes: Die Wärmekapazität

Mit Wärmemengen umgehen

Spezifische Wärmekapazität der Gase

Molare Wärmekapazitäten der Gase

Spezifische Wärmekapazität der Festkörper

Spezifische Wärmekapazität der Flüssigkeiten

Experimentelle Bestimmung der Wärmekapazität

Mittlere spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck

Mittlere spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen

Teil III: Energieprinzip, Hauptsätze und Entropie

Kapitel 7: Arbeit und Wärme ist Energie

Was ist Arbeit?

Mechanische Arbeit der Physik

Die Arbeit der Thermodynamik

Was ist Wärme?

Die fünf thermodynamischen Systeme der Technik

Kapitel 8: Energieprinzip und totale Differentiale

Intensive und extensive Zustandsgrößen

Etwas Besonderes: Das Energieprinzip der Thermodynamik

Handhaben Sie drei Differentialformen

Formen der Energie

Die Arbeit einer Feder

Das totale Differential einer Funktion

Ein Stahlkörper dehnt sich. Wie ändert sich sein Volumen?

Das totale Differential einer Funktion finden

Totales Differential und Linienintegral: Passt das zusammen?

Zurück zum Stahlkörper: das anschauliche Ergebnis

Kapitel 9: Der erste Hauptsatz für offene Systeme

Alltägliche Formen der Energie

Herleitung des ersten Hauptsatzes

Wärme fließt über Systemgrenzen

Kein wirkliches System ist ohne Reibung

Offene Systeme können nur technische Arbeit abgeben oder aufnehmen

Die Energien im Eintrittsmassenstrom erfassen

Die Energien im Austrittsmassenstrom feststellen

Der erste Hauptsatz in differentieller Form

Der erste Hauptsatz in integraler Form

Der erste Hauptsatz für die Gesamtmasse eines offenen Systems

Der erste Hauptsatz als Leistungsbilanz

Beispiel: Wärmeübertrager in einer Luftkühlanlage

Technische Arbeit

Kolbenverdichter in Aktion

Absolute technische Arbeit

Leistung der technischen Arbeit

Kapitel 10: Der erste Hauptsatz für geschlossene Systeme

Herleitung des ersten Hauptsatzes für geschlossene Systeme

Spezifische integrale Form des Hauptsatzes

Energiebilanz des Gesamtsystems

Leistungsbilanz im geschlossenen System

Die thermodynamische Arbeit

Zum Unterschied zwischen thermodynamischer und technischer Arbeit

Ein neuer Begriff: reversible Wärme

Beispiel: Wasserpumpe arbeitet gegen geschlossenen Schieber

Kapitel 11: Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Alltägliche Vorgänge und gesunder Menschenverstand

Reversible Wärme und das Energieprinzip

Herleitung des zweiten Hauptsatzes für reversible Prozesse

Allgemeine Entropieänderung reversibler Prozesse

Entropieänderung reiner Stoffe

Entropieänderung irreversibler Prozesse

Den zweiten Hauptsatz bei irreversiblen Prozessen prüfen

Entropieänderung eines Universums

Reversible und irreversible Prozesse

Entropie und Unordnung

Was ist Ordnung und was Unordnung?

Statistische Entropie

Kapitel 12: Dritter und nullter Hauptsatz der Thermodynamik

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik

Die Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts

Die Entropie eines Prüfkörpers am absoluten Nullpunkt

Absoluter Nullpunkt: Lässt sich ein Körper auf 0 Kelvin abkühlen?

Nullter Hauptsatz der Thermodynamik

Teil IV: Thermodynamische Kreisprozesse

Kapitel 13: Grundlagen der Kreisprozesse

Eigenschaften aller Kreisprozesse

Rechtsläufige Kreisprozesse mit dem Uhrzeigersinn

Linksläufige Kreisprozesse entgegen dem Uhrzeigersinn

Ausführungsarten der Kreisprozesse

Charakteristische Prozessfunktionen der Kreisprozesse

Graphen der Prozessfunktionen

Der erste Hauptsatz für beliebige Kreisprozesse

Kapitel 14: Rechtsläufige Kreisprozesse

Theoretische Berechnung der Nutzarbeit

Rechenansatz für die abzugebende Nutzarbeit

Theoretische Betrachtung zur Feststellung der abgegebenen Nutzarbeit, ohne Linienintegrale lösen zu müssen

Thermischer Wirkungsgrad rechtsläufiger Kreisprozesse

Musterbeispiel: rechtsläufiger Carnot-Kreisprozess

Die Transformation des Carnot-Prozesses in das T-­s-­Diagramm

Weg A: Die Berechnung der Nutzarbeit im p-v-Diagramm

Nutzarbeit im p-v-Diagramm als Flächen repräsentieren

Schwierig: Gleichungen vereinfachen

Weg B: Die Nutzarbeit im T-s-Diagramm berechnen

Weg C: Nutzarbeit aus den Wärmeumsätzen berechnen

Thermischer Wirkungsgrad des rechtsläufigen Carnot-­Kreisprozesses

Allgemeine Energieflüsse rechtsläufiger Kreisprozesse

Übersicht: rechtsläufige Kreisprozesse

Otto-Kreisprozess

Diesel-Kreisprozess

Seilinger-Kreisprozess

Stirling-Kreisprozess

Joule-Kreisprozess

Ericson-Kreisprozess

Clausius-Rankine-Kreisprozess

Kapitel 15: Linksläufige Kreisprozesse

Allgemeiner Energiefluss linksläufiger Kreisprozesse

Wärme- und Kälteziffer

Nutzarbeit bei linksläufigen Kreisprozessen

Musterbeispiel: ­Linksläufiger Carnot-­Kreisprozess

Notwendig: die zuzuführende Nutzarbeit

Wärmeziffer des linksläufigen Carnot-Kreisprozesses

Kälteziffer des linksläufigen Carnot-Kreisprozesses

Temperaturniveaus von Wärmepumpen und Kältemaschinen

Teil V: Wasser und Wasserdampf

Kapitel 16: Wasser und Wasserdampf

Allgemeine Phasenänderungen

Aus Eis wird heißer Dampf: Isobarer Verdampfungsvorgang

Neuordnung der Variablen bei Wasserdampfprozessen

3-d-Phasendiagramm des Wassers

Isobarer Verdampfungsvorgang im ­3­-­d-­Phasendiagramm

Die Dampfdruckkurve des Wassers

Internationale Formel zur Berechnung von ps als Funktion von ϑs

Zweidimensionale Phasendiagramme

Das p-v-Diagramm des reinen Wassers

Das p-ϑ-Diagramm des reinen Wassers

Das ϑ-s-Diagramm des reinen Wassers

Das h-s-Diagramm des reinen Wassers

Wasserdampftafel

Die Temperaturtafel (Tafel I)

Die Drucktafel (Tafel II)

Wasser und überhitzter Dampf (Tafel III)

Kapitel 17: Dampfprozesse

Aus Wasser überhitzten Dampf bereiten

Gesucht: Sattdampfmasse

Abkühlung einer Sattdampfmasse

Idealer und realer Dampfturbinenprozess

Teil VI: Chemische Thermodynamik

Kapitel 18: Verbrennungsreaktionen

Vom Wesen der chemischen Reaktionen

Reaktionsenthalpie

Exotherme Reaktionen

Endotherme Reaktionen

Brennstoffe und ihre Reaktionsgleichungen

Vollständige Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff

Unvollständige Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff

Vollständige Verbrennung von Kohlenmonoxid mit Sauerstoff

Vollständige Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff

Vollständige Verbrennung von Schwefel mit Sauerstoff

Vollständige Verbrennungen von Kohlenstoff mit Luft

Vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen

Vollständige Verbrennung von organischen Stoffen

Kapitel 19: Erster Hauptsatz für chemisch reagierende Substanzen

Herleitung des ersten Hauptsatzes für reagierende Substanzen

Molare Enthalpie der Stoffe

Brennwert und Heizwert

Kapitel 20: Entropiefunktionen und der zweite Hauptsatz für chemische Reaktionen

Molare Entropiefunktion eines Einzelgases

Entropiefunktion einer Gasmischung

Partialdruck einer Gasmischung

Entropieänderung einer chemischen Reaktion

Der zweite Hauptsatz der chemischen Thermodynamik

Gesamtentropie ΔSges des Universums

Gesamtentropie einer Knallgasreaktion

Gibbs-Funktion oder freie Enthalpie

Der chemische Lebensprozess einer Kreatur

Glanz der Wissenschaft: freie Enthalpie

Bedeutungen der Gibbs-Funktion

Die Gibbs-Funktionen bei festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen

Die Standard-Gibbs-Funktion

Standard-Gibbs-Funktion ausgewählter Substanzen

Das Verhalten von chemischen Reaktionen aus Sicht des zweiten Hauptsatzes

Teil VII: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 21: Zehn wichtige Gleichungen

Realgasgleichung

Der erste Hauptsatz für offene Systeme

Der erste Hauptsatz für geschlossene Systeme

Reversible Wärme

Der erste Hauptsatz für Kreisprozesse

Der zweite Hauptsatz für reversible Prozesse

Die spezifische Entropieänderung

Gesamtentropie eines Universums

Absolute Größen

Leistung einer Energiegröße

Kapitel 22: Zehn Energiebetrachtungen

Die Gesichter der potentiellen Energie

Die kinetische Energie

Die innere Energie

Die mechanische Arbeit

Die Enthalpie eines Stoffes

Chemisch gebundene Energie

Die Wärmestrahlung eines Körpers

Was ist Wärme?

Gibbs-Energie und maximal mögliche Arbeit

Helmholtz-Energie und maximale Arbeit

Stichwortverzeichnis

Wiley End User License Agreement

Seitenverzeichnis

1-2

5-6

7-8

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Über den Autor

Dr. Raimund Ruderich studierte Energietechnik an der Ingenieurakademie Berlin und physikalische Ingenieurwissenschaft an der Technischen Universität Berlin. Nach seiner Promotion über selbstähnliche Lösungen der Bewegungsgleichungen in abgelösten turbulenten Strömungen im Unterschallbereich an der Technischen Universität Berlin widmete er sich der Lehre und Forschung auf dem Gebiet der theoretischen und experimentellen Gasdynamik im Graduate Program der Princeton University, Princeton, NJ, USA. Praktische Erfahrungen sammelte er als Leiter der Entwicklungsgruppe für aerodynamische Triebwerksstörungen an Fluggasturbinen bei der MTU Aero Engines in München und als leitendes Mitglied des Forschungsteams für NOx-arme Verbrennung in Gasturbinen am ABB-For­schungszentrum in Dättwil, Schweiz.

Dr.-Ing. Ruderich ist Professor für Thermo- und Fluiddynamik und Spezialist für Brennstoffzellensysteme der Hochschule Ulm. Seit 1988 ist er akademischer Direktor des Inter­national Mechanical Engineering Programs I.M.E.P. der Hochschule Ulm. Er ist Träger des Landeslehrpreises 2008 des Bundeslandes Baden-Württemberg, Mitglied des Aufsichtsrats des Weiterbildungszentrum Brennstoffzellen Ulm WBZU und Gastprofessor für Brennstoffzellensysteme im Studiengang Maestría en Energía Renovable an der Universidad Autónoma de Guadalajara in Mexico. Seit seiner Pensionierung 2015 ist er noch im I.M.E.P. Austauschprogramm tätig.

Danksagung

Mein besonderer Dank gilt dem Wiley-VCH Verlag. In Gesprächen mit Herrn Lektor Marcel Ferner und Frau Lektorin Andrea Baulig habe ich zahlreiche Anregungen und bereichernde Verbesserungsvorschläge erhalten, die bei der Arbeit zu dieser Auflage zum Tragen kamen. Es ist mir eine Ehre, für diese Hilfe und Unterstützung danke zu sagen.

19-24

Einführung

Sie interessieren sich für Thermodynamik? Dann würde ich Sie gerne in meine Vorlesung über Thermodynamik einladen. Zusammen mit anderen Studierenden aus den USA, aus England, Frankreich, Ungarn, Mexiko, Spanien, Finnland, China, Russland und Deutschland werden wir aus den verschiedenen Blickrichtungen der Anwesenden auf das riesige Anwendungsgebiet der Thermodynamik schauen und gemeinsam Thermodynamik studieren. Nach und nach werden Sie die festen wissenschaftlichen Strukturen dieses Gebiets erkennen. Sie lernen, wie Thermodynamik funktioniert.

Sie können die Vorlesung jetzt nicht besuchen? Vielleicht zu einer anderen Zeit? Sie können sich vorbereiten und schon Mal in diesem Buch schmökern.

Etwas Ähnliches habe ich mit diesem Buch vor. Es ist aus dem Stoff meiner Vorlesungen an deutschen und amerikanischen Universitäten und Hochschulen hervorgegangen. Es richtet sich an Maschinenbauer, an Studierende aus den Bereichen der Physik, Ingenieurwissenschaften und der physikalischen Chemie und selbstverständlich auch an alle, die das sehr anspruchsvolle Gebiet der Thermodynamik verstehen und beherrschen möchten.

Der Einstieg in die Thermodynamik ist nicht einfach. Sie brauchen immer wieder eine Erfolgsbestätigung, um aktiv erfahren zu können, dass Ihr neues Wissen Sie befähigt Aufgaben zu lösen. Deshalb müssen anschauliche Beispiele aus der Praxis mit vollständigen Lösungen im Buch vorhanden sein. Die Beispiele erweitern Ihr Verständnis und decken Lösungsstrategien auf. Probieren Sie es an Ihren Thermodynamikaufgaben aus. Komme was wolle, dieses Buch wird Sie der Thermodynamik näherbringen und Ihre Sicht positiv verändern.

Über dieses Buch

Der formale Aufbau des Buches ist vergleichbar mit einem Baukastensystem. Zuerst werden Stoffeigenschaften der Materie verständlich vermittelt. Dann folgen das Grundsätzliche, das Spezialwissen und die Anwendungen. Die wichtigen Kunstgriffe sind an den Textstellen platziert, wo sie gebraucht werden. Schließlich müssen Sie Ihr aufgebautes Wissen an Beispielen überprüfen und Lösungen erarbeiten. Der Weg zum Ziel ist vorgezeichnet, folgen Sie ihm! Das Schwierige daran ist oft, dass es nur eine einzige Lösung gibt und deshalb ist oft nur ein einziger Weg vorhanden, der Sie zum Ziel führt. Dieses Buch, Ihr Buch, soll Ihnen deutlich den Weg zeigen.

Konventionen in diesem Buch

Das Buch ist so gegliedert, dass Sie nicht von Anfang an Kapitel für Kapitel studieren müssen. Falls Sie schon Vorkenntnisse mitbringen, können Sie in den Kapiteln hin und her springen. Oft können Sie Ihr Grundverständnis erweitern, wenn Sie den Hinweise in den Abschnitten folgen und zu Kapitel X, Abschnitt Y springen, dort nachschauen, was Sache ist, um dann an der ursprünglichen Stelle weiterzuarbeiten. Was ganz besonders wichtig ist, sind die Beispiele, die abgeschlossenen Abschnitten folgen. Es sind Beispiele aus dem täglichen Leben der Physiker, Ingenieure und Chemiker. Sie sollten diese Beispiele überprüfen und dabei die Lösungsstrategie festhalten, denn sie wird bei anderen Beispielen wieder gebraucht. Nach und nach werden Sie feststellen, dass zum Beispiel die mathematischen Integrationen nach festen thermodynamischen Regeln ablaufen und Sie die Lösung nicht verweigern können. Weichen Sie nicht vom roten Faden ab!

Törichte Annahmen über den Leser

Suchen Sie Ihre mathematische Formelsammlung und prüfen Sie meine Angaben zur Mathematik. Wenn der eine oder andere Trick oder die vorgestellte Methode in zu großen Sprüngen vorgestellt wurde, sollten Sie mit bodenständigen Schritten der Mathematik Zeile für Zeile nachrechnen. Vielleicht können Sie mithilfe eines Computers versuchen die Lösung zuerst einzukreisen, um sie dann zu erreichen. In der Thermodynamik gibt es Gleichungen, die sich nicht auf die gesuchte Größe umstellen lassen. Sie müssen dann nicht mit der Methode »Versuch und Fehler« raten, sondern mit zielgerichteten Iterationen arbeiten. Was das genau ist, wird an entsprechender Stelle an einem Beispiel vorgeführt.

Sie benötigen Kenntnisse in der Arithmetik und Algebra. Manchmal ist ein Gleichungssystem zu lösen. Das Differenzieren und Integrieren einfacher Funktionen sollte bekannt sein. Zum Verständnis der wissenschaftlichen Probleme sind Differentialgleichungen zu lösen. Keine Angst, die Hilfsanleitungen sind bei allen Beispielen vorhanden. Übung macht den Meister!

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Die einzelnen Themen sind in logischer Folge nacheinander aufgebaut. Dem Einsteiger wird empfohlen, mit Kapitel 3 zu starten und später die ausgelassenen Kapitel bei Bedarf nachzulesen. Kapitel 1 und 2 behandeln die wissenschaftlichen Grundlagen der Thermodynamik. Darin werden die schwierigsten Gleichungen der Physik besprochen, die zurzeit nicht exakt lösbar sind. Die angehenden Wissenschaftler unter Ihnen können sich Gedanken über die Lösbarkeit dieser Gleichungen machen.

Teil I: Die exakten Grundlagen

Der Stoff des ersten Teils soll Ihnen die Größe der Thermodynamik zeigen und einen Überblick vermitteln, wie die Thermodynamik in der Wissenschaft eingeordnet ist. Sie werden erkennen, dass viele Dinge des täglichen Lebens mit Thermodynamik zu tun haben. Und wenn Ihnen das bewusst wird, ist es manchmal leichter, Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen und Ihrer Erfahrung herzustellen.

Die exakten wissenschaftlichen Grundlagen werden durch physikalische Erhaltungssätze formuliert und als Differentialgleichungen aufgeschrieben. Alle Differentialgleichungen zusammen ergeben ein Differentialgleichungssystem, das nicht geschlossen lösbar ist. Nur einfache Lösungen sind erreichbar. Diese wurden durch Experimente bestätigt. Bei der Überprüfung der theoretisch nicht exakt zugänglichen Lösungen zeigten Vergleiche zwischen komplizierten Versuchen und deren numerischen Berechnungen mit Supercomputern sehr gute Übereinstimmungen. Das sind Bestätigungen der Grundgleichungen.

Teil II: Stoffgesetze und ihre praktischen Anwendungen

Gase sind das A und O in der Thermodynamik. Flüssigkeiten und Festkörper spielen die zweite Rolle. Wie verhalten sich diese Stoffe, wenn sich der Druck ändert und/oder wenn die Temperatur verändert wird? Ein Glas Wasser ändert seinen flüssigen Zustand und wird festes Eis, wenn es tief abgekühlt wird. Ein heißer Eisenstab wird bei seiner Abkühlung magnetisiert und ein kalter Eisenstab verliert bei seiner Erwärmung seine magnetischen Eigenschaften.

Teil II bringt Ihnen die Stoffgesetzte der Materie nahe. Sie können an einfachen Aufgaben überprüfen, ob Ihre gedanklichen Vorstellungen eines Veränderungsprozesses der Materie mit den wissenschaftlichen Ergebnissen übereinstimmen.

Teil III: Energieprinzip, Hauptsätze und Entropie

Energie ist notwendig, wenn Teilchen sich bewegen sollen. Energie ist notwendig, wenn Sie in einem Flugzeug oder einem Auto verreisen möchten. Im Winter frieren Sie nicht, wenn Ihre Heizung Energie in Form von Wärme liefert. Energie ist eine Erhaltungsgröße, das heißt, Energie geht nicht verloren, Energie kann bilanziert werden.

Sie lernen, wie man Energiebilanzen für beliebige Maschinen oder Anlagen aufstellt. Gleichzeitig lassen sich mit den Energiebilanzen, zu denen die Wissenschaftler Hauptsätze sagen, bestimmte Größen berechnen. Damit dies übersichtlich bleibt, werden thermodynamische Systeme definiert und die Hauptsätze daran festgemacht. Jeder Student kann sich dann von den Gleichungen zum Ziel seiner Berechnungen leiten lassen.

Besonders der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bereitet allen Studenten große Probleme. Auch meine Studenten an der angesehenen Princeton Universität hatten große Schwierigkeiten, mit dem zweiten Hauptsatz umzugehen und deshalb waren treffende Erklärungen und anschauliche Beispiele notwendig, um Einsicht und Verständnis zu vermitteln. Sie, lieber Leser, erhalten dieselben Informationen in diesem Buch. An den praktischen Beispielen, die ab hier bis zum Schluss des Buches immer wieder mit Entropie zu tun haben, erkennen Sie den Sinn des zweiten Hauptsatzes. Die Entropie ist Ihre unsichtbare Begleitung.

Teil IV: Thermodynamische Kreisprozesse

Es geht um Verbrennungsmotoren für Ihr schnelles und/oder sparsames Auto. Es sind Motoren, zu denen Ihr Werkstattmeister »Vier-Takt-Motor« sagt. Ingenieure sagen das auch und meinen rechtsläufige thermodynamische Kreisprozesse in einer Maschine. Mit der Berechnung solcher Kreisprozesse erkennen Sie, dass die Leistung Ihres Verbrennungsmotors in erster Linie nur durch das vorhandene Motorvolumen (Gasvolumen) bestimmt wird.

Es geht unter anderem auch um die Klimaanlage in Ihrem schnellen Auto. Die Ingenieure bezeichnen solche Anlagen als linksläufige Kreisprozesse. Was das genau ist und wie sich die linksläufigen von den rechtsläufigen Kreisprozessen unterscheiden, das können sie in Teil IV des Buches verstehen.

Teil V: Wasser und Wasserdampf

Wie können Sie aus Wasser Wasserdampf machen? Welche Rolle spielt die Entropie? Wie können Sie aus Wasserdampf wertvolle Arbeit erzeugen? Wie werden solche Energieumwandlungsprozesse berechnet, wenn gleichzeitig Phasenübergänge stattfinden? Gibt es dabei Energie, die sich technisch nicht mehr nutzen lässt? Die Antworten auf diese Fragen finden Sie in Teil V.

Teil VI: Chemische Thermodynamik

Physikalische Chemie beschäftigt sich mit Verbrennungsprozessen, mit Brennstoffzellen und mit den chemischen Verfahren zur Herstellung von bestimmten Stoffen. Wie können Sie es schaffen, dass sich ein Stoff ändert und vielleicht mit einem anderen Stoff reagiert. Reaktionen können stattfinden oder auch nicht. Unter welchen Bedingungen reagieren chemische Stoffe? Stoffe reagieren nur dann, wenn es der zweite Hauptsatz der Thermodynamik erlaubt. Lesen sie nach, wie der zweite Hauptsatz der Thermodynamik chemische Vorgänge beeinflusst.

Als zukünftiger Physiker, Chemiker oder Ingenieur wollen Sie doch wissen, welche theoretisch maximale Arbeit bei einer chemischen Reaktion eines Gases möglich ist. Auch hier kommt die Entropie ins Spiel, und Sie können feststellen, wie groß der Anteil der nicht nutzbaren Energie eines Prozesses ist.

Teil VII: Der Top-Ten-Teil

Zehn besondere Gleichungen der Thermodynamik stehen Ihnen zur Verfügung, um unter anderem Begriffe aus der Thermodynamik besser in Ihre Welt der Formeln und Zahlen einführen zu können. Diese kleine Übersicht könnte nützlich sein, wenn bestimmte Größen eines thermodynamischen Problems gesucht werden. Hierzu benötigen sie die Gleichungen, in denen die gesuchte Größe auftaucht. Die wichtigsten Ansätze dazu finden sie im Top-Ten-Teil. Gleichzeitig können Sie auch einen Bezug zur weiterführenden Thermodynamik herstellen, die von Gibbs- und Helmholtz-Funktionen berichtet.

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Die Symbole, die in diesem Buch aufgeführt sind, weisen auf besondere Informationen hin, die zum roten Faden des Buches gehören. Was bedeuten sie?

»Erinnerung« an bereits Bekanntes, an Informationen, die an dieser Stelle im Buch nochmals zum Tragen kommen.

»Tipps« zur einfacheren Handhabung des Problems. Manchmal hilft eine Eselsbrücke, um Klarheit zu schaffen.

»Vorsicht« ist angebracht. Es geht ins Detail und in die Tiefe.

»Warnung« erfordert Ihre Aufmerksamkeit, damit nichts schiefgeht. Sie werden auf Fußangeln hingewiesen, die es zu vermeiden gilt.

»Strategie« und Didaktik sind notwendig, wenn Sie das Thema beherrschen wollen. Es werden Zusammenhänge zwischen Vorgängen aufgezeigt, die das »Warum« erklären.

»Begriffe« und Definitionen sind meistens Zusammenfassungen von physikalischen Details, die in einer bestimmten Ablauffolge gruppiert sind. Die Zusammenhänge der Details werden im Text erläutert.

»Wissenschaftliche Sprache« ist im internationalen Informationsaustausch erwünscht, weil jeder Fachmann sofort erkennt, was Sache ist. Die in der Wissenschaft grundlegenden und immer wiederkehrenden Sprachregelungen werden in wissenschaftlichen Begriffen verhüllt. Hier wird die Verhüllung durchsichtig!

Wie es weitergeht

Bei der methodischen Gestaltung dieses Buches wurde davon ausgegangen, dass es Leser gibt, die sich erstmalig mit der Thermodynamik beschäftigen wollen, und dass es schon erfahrene Fachleute gibt, die zügig ein bestimmtes Gebiet der Thermodynamik theoretisch erkunden möchten.

Wenn Sie ein echter Neuling sind, können Sie gleich ab Kapitel 3 beginnen und später, wenn Interesse besteht, die wissenschaftlichen Grundlagen in den ersten beiden Kapiteln nacharbeiten.

Die Fachleute unter Ihnen, die etwas Bestimmtes klären möchten, können gezielt in das entsprechende Kapitel springen und nach der Lösung suchen. Ich hoffe, dass Sie dabei Ihr wissenschaftliches Verständnis der Thermodynamik bereichern, wenn Sie im Buch schmökern.

Falls sie sich auf eine Prüfung vorbereiten, dann planen Sie die notwendige Vorbereitungszeit ein, denn dann ist die Theorie und das Durcharbeiten der Beispiele wichtig. Die Erfahrung lehrt, dass gerade Beispiele ein tieferes Verständnis der Thermodynamik begünstigen. Für alle Beispiele werden die Lösungen und die Lösungsschritte erklärt. Kurze Beispiele stehen in einem grauen Kasten, längere, die über ein paar Seiten gehen, nicht.

In der Regel erfolgt die Lösungsprozedur der Beispiele nach folgenden Schritten: Zuerst müssen Sie mit der Thermodynamik die Sachlage klären, zum Beispiel die Hauptsätze anwenden. Im nächsten Schritt wird die Mathematik gebraucht, um aus den Gleichungen der Sachlage die gesuchten Größen freizustellen. Zum Schluss müssen Sie die mathematische Lösung übersetzt in die Thermodynamik und Ihr Ergebnis präsentieren. Verzagen Sie nicht, wenn Sie mit einer Aufgabe Probleme haben, bei der nächsten Aufgabe wird alles besser! Ich wünsche Ihnen viel Erfolg.

25-26

Teil I

Die exakten Grundlagen

In diesem Teil …

erhalten Sie einen Überblick über das große Gebiet der Thermodynamik.

In Kapitel 1 erkläre ich Ihnen, wozu die Thermodynamik überhaupt gut ist.

In den Kapiteln 2 und 3 gebe ich Ihnen die wissenschaftlichen Grundlagen zu den Größen der Thermodynamik und der Materie in die Hand.