E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 6. Vorlesung

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1 E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 6. Vorlesung Heute: - Kondensationskerne - Van der Waals-Gas - 2. Hauptsatz Prof. Dr. Jan Lipfert Jan.Lipfert@lmu.de Prof. Dr. Jan Lipfert 1

2 Wiederholung: Latente Wärme und Phasenübergänge Latente Wärme: Die Wärmeenergie ΔQ, die während eines Phasenüberganges aufgenommen oder abgegeben wird. Die Temperatur T ändert sich währenddessen nicht. Spezifische Schmelzwärme: Spezifische Verdampfungswärme: Am Phasenübergang wird die Wärmekapazität unendlich: C = Q T = 1 Q Sm Q Sd Prof. Dr. Jan Lipfert 2

3 Wiederholung: Phasendiagramm Prof. Dr. Jan Lipfert 3

4 Dampfdruck Sättigungsdampfdrücke bei 20 ºC Dampfdruck: Wasser, Ethanol, Äther Substanz p Sätt (mbar) Wasser 23,3 Ethanol 58,8 Ethylether 586 CO Propan 8270 Video zum Sieden bei Zimmertemperatur : Man sieht, dass Wasser bei ca. 20 mbar bei Zimmertemperatur zu sieden begint: Prof. Dr. Jan Lipfert 4

5 Verdampfungswärme ( Verdunstungskälte ) Absolute Luftfeuchtigkeit: Maximale Luftfeuchtigkeit: Relative Luftfeuchtigkeit: Trinkente; Video (mit IR-Kamera): Prof. Dr. Jan Lipfert 5

6 PINGO: Siedepunkte Was würden Sie für die Kondensationstemperaturen (d.h. die Temperaturen, bei der die jeweiligen Gase flüssig werden) für He, Ne und Ar annehmen, wenn Sie davon ausgehen, dass die molekularen Wechselwirkungen zwischen den Atomen dieser Edelgasen in etwa gleich sind? Abstimmen unter pingo.upb.de, # Hinweis: A) He > Ne > Ar B) He < Ne < Ar C) Alle gleich Prof. Dr. Jan Lipfert 6

7 Phasendiagramme Tripelpunkt: Zustand in dem die drei Aggregatzustände eines Stoffes im thermodynamischen Gleichgewicht sind. Kritischer Punkt: Punkt an dem die Dichten von Flüssigkeit und Gas gleich werden. Oberhalb des kritischen Punktes sind Flüssigkeit und Gas nicht mehr voneinander zu unterscheiden. Tripelzelle Prof. Dr. Jan Lipfert 7

8 Van der Waals Gleichung Erweiterung der idealen Gasgleichung zur besseren Beschreibung des Verhaltens von realen Gasen (bei hohem p und/oder niedriger T): Johannes_Diderik_van_der_Waals Johannes D. van der Waals ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 8

9 Van der Waals Gleichung Erweiterung der idealen Gasgleichung zur besseren Beschreibung des Verhaltens von realen Gasen (bei hohem p und/oder niedriger T): Johannes_Diderik_van_der_Waals Johannes D. van der Waals ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 9

10 Phasenübergänge & C für Eisen Eisen zeigt mehrere Phasenübergänge, über einen weiten Temperaturbereich Aggregatszustände: Phasen: T c kritische Temperatur Übergang von Ferromagnetismus zu Paramagnetismus T krist (Um-)Kristallisationspunkt; das Kristallgitter ändert seine räumliche Orientierung T Schmelz Übergang von festem zu flüssigem Aggregatzustand T Siede Übergang von flüssigem zu gasförmigen Aggregatzustand Prof. Dr. Jan Lipfert 10

11 Kondensationskeime Kondensationskerne oder keime initiieren die Kondensation Kondensationskeime Video zum Siedeverzug: Video zum Gefrieren von unterkühltem Wasser: Prof. Dr. Jan Lipfert 11

12 Phasenübergänge als Detektoren Charles_Thomson_Rees_Wilson Charles T. R. Wilson ( ) Nobelpreis 1926 Nebelkammer ( Cloud chamber ) u.a. Endeckungen Positrons (1932) Muon (1936) Kaon (1947) Blasenkammer ( Bubble chamber ) u.a. Endeckungen Weak neutral currents (1973) Aktuell in WIMPsearches Donald_A._Glaser Donald A. Glaser ( ) Nobelpreis Prof. Dr. Jan Lipfert 12

13 Perpetuum Mobile Perpetuum Mobile 1. Art: Ein hypothetisches Gerät, welches ohne Energiezufuhr ewig in Bewegung/Betrieb bleibt und dabei (möglicherweise auch) noch Nutzenergie erzeugen kann. Beispiele: Eine Pumpe, die Wasser nach oben pumpt und über ein Wasserrad von einem Teil dieses Wassers angetrieben wird. Eine Lampe leuchte, das Licht werde von einem Fotoelement ( Solarzelle ) aufgefangen und in elektrischen Strom umgewandelt, der wieder die Lampe leuchten lassen soll. etc Prof. Dr. Jan Lipfert 13 M.C. Escher Waterval 1961

14 2. Hauptsatz Es ist unmöglich eine zyklisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die keinen anderen Effekt bewirkt, als Wärme aus einem Reservoir aufzunehmen und eine äquivalente Menge an Arbeit zu verrichten. Ein Prozess, bei dem nur Wärmeenergie von einem kälteren auf einen wärmeren Gegenstand übertragen wird, ist unmöglich. Entropieänderung (Maß für Unordnung) eines reversiblen Prozesses: S = Q rev T Bei einem irreversiblen Prozess nimmt die Entropie des Universums zu. Es gibt keinen Prozess, bei dem die Entropie des Universums abnimmt Prof. Dr. Jan Lipfert 14

15 Mikroskopische Interpretation der Entropie Hat ein Zustand eines Systems Ω verschiedene mikroskopische Zustände, so beträgt seine Entropie: S = k B log Ludwig_Boltzmann Ludwig Boltzmann ( ) Mischung von Teilchen am Rütteltisch Prof. Dr. Jan Lipfert 15