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1 Teil I Grundlagen 1 Einführung Wozu Wärmelehre? Was ist Wärme und was ist Temperatur? Die Temperaturabhängigkeit der Stoffeigenschaften Energieumwandlung Thermodynamik und statistische Physik Messmethoden für Temperatur und Wärmeenergie Temperaturmessung und Thermometer Temperaturskalen Wärmemessung und Kalorimeter Thermisches Gleichgewicht und nullter Hauptsatz " Ein einfaches System: das ideale Gas Zustandsgieichung und Zustandsfläche Das ideale Gasmodell Messmethoden für atomare Größen Die Suszeptibilitäten idealer Gase Mehratomige ideale Gase 40 2 Was ist Temperatur? Anknüpfung an die Erfahrung Die Definition der Temperatur Die Energiezustände eines klassischen Teilchens Die Zustandszahl für ein ideales Gas Vergleich zwischen berechneter und gemessener Temperatur Analyse der Zustandsfunktion Í2(U) eines idealen Gases* 76 Anhang Quantenmechanische Herleitung der Zustandsfunktion 2(U) eines idealen Gases 82 Bibliografische Informationen digitalisiert durch

2 x 3 Zwei interessante Modellsysteme: Idealer Paramagnet und idealer Kristall Idealer Paramagnet ( Spinsystem") Das Modell Zustandszahl, Temperatur und magnetische Energie Die Magnetisierung Die Spintemperatur * Idealer Kristall ( Einstein-Kristall") Das Modell Zustandszahl, Temperatur und Kristallenergie Die Wärmekapazität Unterschiede der drei behandelten Modellsysteme Erster Hauptsatz der Thermodynamik, Wärme und Arbeit Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Erster Hauptsatz und Energiebilanz Ideales Gas Idealer Paramagnet Idealer Kristall Der Unterschied zwischen Wärme und Arbeit Quasistatische Zustandsänderungen Die Entropie Der Entropiebegriff (Überblick) Messung und Berechnung der Entropie Vergleich der Entropiebeziehungen von Clausius und Boltzmann Experimentelle Bestimmung der Entropie Berechnung der Entropie Reversibilität Beispiele zur Entropieberechnung Mischungsentropie Die Temperaturabhängigkeit und allgemeiner Nutzen der Entropie Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Die verschiedenen Formen des zweiten Hauptsatzes Zweiter Hauptsatz und Grundannahme Zweiter Hauptsatz als Naturgesetz oder als Wahrscheinlichkeitsaussage? Maxwells Dämon* Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik Die Entropie für T Die Unerreichbarkeit von T Entropie und Information 175 Anhang Die Entropieproduktion eines elektrischen Netzwerks* 181

3 xi 6 Wechselwirkung zwischen Systemen und Boltzmann-Verteilung Wechselwirkende Systeme ähnlicher Größe Wechselwirkende Systeme von sehr verschiedener Größe und die Boltzmann-Verteilung Der schwebende Guru* Teilchen im Gravitationsfeld und barometrische Höhenformel Die Temperaturabhängigkeit angeregter Zustände in Atomen Idealer Paramagnet Die Maxwell-Verteilung der Geschwindigkeiten von Gasmolekülen Sternatmosphären Der Gleichverteilungssatz der Energie 208 Teil II Energieumwandlung 7 Geräte und Maschinen zur Energieumwandlung Übersicht über die Methoden der Energieumwandlung Wärme-Kraft-Maschinen und Kühlmaschinen Gemeinsame Merkmale solcher Maschinen, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor Der Heißluftmotor Der Carnot-Prozess Verbrennungsmotoren Dampfmaschinen Turbinen Kühlmaschinen Kreisprozesse und reale Maschinen Zustandsänderungen und Kreisprozesse Wirkungsgrade realer Maschinen Optimierung von Maschinen Exergie und Anergie Direktumwandlung von Energie Die Brennstoffzelle Die Solarzelle Das Energieproblem Der Energiebedarf Die Deckung des Energiebedarfs und die Entropieproduktion Die Vorräte Die kurzfristige Lösung Schädliche Nebenwirkungen der Energieumwandlung Der Treibhauseffekt Der Atommüll" Unerschöpfliche" Energiequellen 312

4 8.7 Noch nicht funktionierende und utopische Energiequellen Energieproduktion und Thermodynamik der Sonne Beobachtungsdaten und Struktur der Sonne Die Entstehung der Sonne Die Energieproduktion der Sonne Der Energietransport in der Sonne Die Entropieproduktion der Sonne Die Energiebilanz der Sonne Die Wärmekapazität der Sonne Die Zukunft der Sonne 331 Teil III Thermische Eigenschaften der Stoffe 9 Phasen und Gleichgewichtseigenschaften reiner Stoffe Die Erscheinungsformen der kondensierten Materie Charakterisierung von Phasen Existenzbedingungen von Phasen Wege in der Zustandsfläche Zustandsdiagramme verschiedener Stoffe Der Ordnungsparameter und die Merkmale von Phasen Phasenumwandlungen Die Umwandlungsenthalpie Sublimations-, Schmelz- und Siedekurven Verschiedene Arten von Phasenumwandlungen Die Universalität an kritischen Punkten Kritische Fluktuationen Response-Eigenschaften Klassifikation von Response-Größen Beziehungen zwischen Response-Koeffizienten* Die Temperaturabhängigkeit der Stoffeigenschaften* Transportprozesse Überblick über die Transportprozesse Die freie Weglänge von Molekülen Wärmeleitung Viskosität und Scherströmung Diffusion Driftdiffusion Zusammenhänge zwischen Transportkoeffizienten Wärmeübergang und Wärmedurchgang Zwei Arten des Energietransports Wärmetransport durch Mehrfachschichten 420

5 xiii 10.9 Entropieproduktion bei Transportprozessen Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht Lineare Transportprozesse und Entropieerzeugung Dissipative Strukturen Biologische Evolution Systeme wechselwirkender Teilchen* Reale Gase Zustandsgieichungen und Molekularkräfte Gleichgewichtseigenschaften realer Gase und Fluide Gase als Kühlmittel: Joule-, Thomson- und Kelvin-Effekte Reale Magnete Magnetische Ordnung und magnetische Zustandsfläche Paramagnetismus Ferromagnetismus Magnetische Maßsysteme Antiferromagnetismus* Ferrimagnetismus* Die Ursachen der magnetischen Wechselwirkung Reale Kristalle 503 Teil IV Ergänzungen 12 Thermodynamische Potenziale Die freien Energien und Enthalpien Definition und Bedeutung der thermodynamischen Potenziale Maxwell-Beziehungen Der Zusammenhang zwischen den Potenzialen und der Mikrophysik* Ein Beispiel für den Nutzen des großen Potenzials* Das chemische Potenzial Chemische Arbeit" und Energiebilanz Das chemische Potenzial verschiedener Systeme Die Messung" des chemischen Potenzials Das chemische Potenzial bei der Osmose Der Dampfdruck verdünnter Lösungen Chemisches Potenzial in äußeren Feldern Schwankungserscheinungen Brownsche Bewegung Fluktuationstheoreme Das Freie-Energie-Theorem (Jarzynski-Gleichung) 587

6 xiv Nachwort 593 Anhänge 595 A Literaturempfehlungen, eine persönliche Auswahl 597 B Didaktische Anmerkungen 601 C Umrechnung von Energie- und Leistungseinheiten 605 D Natur- und Maßsystem-Konstanten 607 E Umrechnungsfaktoren für mechanische und thermische Einheiten Literaturhinweise zu den Abbildungen 611 Namensverzeichnis 613 Sachverzeichnis 615