1. Wärmelehre 2.4. Die Freiheitsgrade eines Gases. f=5 Translation + Rotation. f=7 Translation + Rotation +Vibration. Wiederholung

Transkript

1 1. Wärmelehre 2.4. Die Freiheitsgrade eines Gases Wiederholung Speziische molare Wärmekapazität c m,v = 2 R R = N A k B = J mol K =5 Translation + Rotation =7 Translation + Rotation +ibration

2 1. Wärmelehre 2.4. Die Freiheitsgrade eines Gases Wiederholung Beispiel: Speziische Wärme eines 2-atomigen Gases

3 nrt NkT U 2 2 = Freiheitsgrade olumen Konstant Druck p Konstant Wärmemenge om Gas geleistete Arbeit T c n T C Q p W T R n T C Q 2 T R n T c Q p p ) 2 2 ( U = Q + W 1. Wärmelehre Speziische Wärme eines Gases Wiederholung Innere Energie

4 1. Wärmelehre Speziische Wärmekapazität von Festkörpern c 3 R Dulong-Petit-Gesetz c 3 R 3 N A k B 2 N A k B Dann muss gelten: = 6 Anzahl der Freiheitsgrade pro Atom =6 =3 kinetische Energie E kin 3 k 2 B T =3 Potentielle Energie E pot 2 3 k B T

5 Isotherm Adiabatisch Isobar Isochor Adiabatische Zustandsänderung (Q = 0) iele orgänge in Maschinen, Schallwellen, Atmosphärenphysik lauen sehr schnell ab. Es bleibt keine Zeit zum Wärmeaustausch mit der Umgebung. U Q W Q 0 W p p i Q=0 du c ndt p d mit p n R T c 2 R T T i T dt d n R dt n R d oder 2 2 T 2 mit dt T c c p 2 : d heißt Adiabatenkoeizient Integrieren lieert: T / 2 p T /( 1) mit p=nrt/ p p ( 2)/ Adiabatengleichungen ( = Zusandsgleichungen des idealen Gases während einer adiabatischen Zustandsänderung) const

6 Isotherm Adiabatisch Isobar Isochor Bei einem isobaren Prozess bleibt der Druck konstant (p = 0) horizontale Linie im p-diagramm. Bei einem isochoren Prozess bleibt das olumen konstant ( = 0) vertikale Linie im p-diagramm. Wichtig: In diesen, wie in allen anderen Prozessen gilt der 1. HS der Wärmelehre!

7 Isotherm Adiabatisch Isobar Isochor Arbeit in isobaren (p = 0) und isochoren ( =0) Prozessen: on A nach D: W dw D A pd 0 on D nach B: Mit: p nrt W p B ( B A ) p B p B B (1 A B ) nrt (1 A B ) Folgerung: ergleich mit Arbeit aus isothermen Prozess von A -> B Die Arbeit eines Systems, das sich von einem Zustand in einen anderen Zustand bewegt, hängt nicht nur von Anangs- und Endzustand ab, sondern auch von der Art der Zustandsänderung (dem Pad ). W hängt ab vom Weg! Eine Zustandsvariable oder Zustandsgröße nicht! W nrt ln B A

8 1. Wärmelehre olumenarbeit eines Gases p nrt isochore Zustandsänderung =0 isobare Zustandsänderung p=0 p i W pd 0 isotherme Zustandsänderung T=0 p ΔW nrt i i d T i nrt ln i T i T W pd p ( ) p ΔW adiabatische Zustandsänderung U i i U c Q=0 T i T n (T i i T )

9 1. Wärmelehre 2.6. Wärme-Krat-Maschine nach Carnot U = Q + W innere Energie = Wärme + Arbeit Q W U Q W

10 1. Wärmelehre 2.6. Wärme-Krat-Maschine nach Carnot dt=0 Wärme-Krat-Maschine nimmt Wärme au und leistet Arbeit. Die beim Kreisprozess einer dq=0 idealen Carnot-Maschine geleistete Arbeit: W = Q H - Q L

11 1. Wärmelehre 2.6. Wärme-Krat-Maschine nach Carnot dt=0 geleistete Arbeit: W = Q H - Q L dq=0 Wirkungsgrad η eines Carnot-Prozesses: η = W Q H = Q H Q L Q H = T H T L T H Für T L = 0 oder T H = ist η = 1 (gut) Für T L = T H ist η = 0 (schlecht) Der Wirkungsgrad realer Wärme-Krat- Maschinen ist immer kleiner als 1. Wärme Q H kann nie vollständig in Arbeit umgewandelt werden. Ein Teil der Wärme (Q L ) wird wieder abgeührt.

12 1. Wärmelehre 2.7. Entropie Deinition: ds = dq T Einheiten: J K 1 Der 2.Hauptsatz der Wärmelehre sagt aus, dass in einem geschlossenen System Die Entropie nie abnehmen kann, wohl aber zunehmen kann. daher gilt: ds = dq T 0 Beim Übertrag von Wärme wird auch stets Entropie übertragen. Prozesse mit ds = 0 heißen reversibel, solche mit ds > 0 heißen irreversibel Eine Konsequenz der Entropie ist, dass Wärme stets von höherer Temperatur zu niedrigerer Temperatur ließt.

13 1. Wärmelehre 2.7. Entropie Wärmemaschine (Carnot) Perekte Wärmemaschine Q Q T T H L S 0 H L Q T H S 0 Q H : Wärme-Abuhr aus Bad mit T H Q L : Wärme-Zuuhr ins Bad mit T L H

14 1. Wärmelehre 2.7. Entropie Kälte-Krat-Maschine überträgt Q von T L nach T H (Kühlschrank,Wärmepumpe) Q Q T T L H S 0 L H Q Q S 0 T T L H Q H : Wärme-Zuuhr ins Bad mit T H

15 Die Hauptsätze der Wärmelehre 0. Hauptsatz der Thermodynamik (Thermodynamisches Gleichgewicht) Beinden sich zwei Körper (A und B) im thermischen Gleichgewicht beindet sich darüber hinaus Körper A mit einem Körper C im thermischen Gleichgewicht., so sind auch B und C im thermischen Gleichgewicht. 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung) Die Zunahme der inneren Energie U eines Systems ist gleich der Summe aus zugeührter Wärmemenge Q und der von außen geleisteten Arbeit W. U = Q + W Q U W 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiezunahme) Wärme ließt von selbst nur vom heißen System zum kalten System. Die Entropie eines abgeschl. Systems verringert sich nicht von allein ΔS 0 Es ist nicht möglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu bauen, die Wärme vollständig in mechanische Arbeit verwandelt. 3. Hauptsatz der Thermodynamik (Absoluter Nullpunkt) Der absolute Nullpunkt der Temperatur -273, 16 C (das sind 0 Kelvin) ist unerreichbar.

16 16 1. Wärmelehre 2.8. Reale Gase: Die van der Waals-Gleichung Ideales Gas Isotherme T = const (3) lüssig (2) Reales Gas Koexistenz (1) Gas Isotherme T = const punktörmige Massen ohne Eigenvolumen Elastische Stöße ohne Wechselwirkung Nur gasörmig und ohne Phasenübergänge Es gilt die Ideale Gasgleichung p = R T ausgedehnte Massen mit Eigenvolumen Inelastische Stöße mit Wechselwirkung Phasenübergänge sind möglich: Kondensation und erdampung Es gilt die reale Gasgleichung p + p e e = R T van der Waals-Gleichung

17 1. Wärmelehre 2.8. Phasenumwandlung 17 Kondensation eines realen Gases Kondensation: Damp und Flüssigkeit stehen im Gleichgewicht (Koexistenz); Das olumen ändert sich isotherm (T=T D ) und isobar (p=p D ) (viel Gasvolumen verschwindet, wenig Flüssigkeitsvolumen entsteht) Flüssige Phase ist nahezu inkompressibel ( = const) Bei hohen Temperaturen verhält sich das reale Gas wie ein ideales Gas (3) T = const lüssig (2) Koexistenz (1) Gas kritischer Punkt Kondensation Hohe Temperatur T i Ideales Gas T i T k T r ideal kritisch real

18 1. Wärmelehre 2.8. Phasenumwandlung 18 Kondensation eines realen Gases Kondensation: Damp und Flüssigkeit stehen im Gleichgewicht (Koexistenz); In der Koexistenz ändert sich das olumen isotherm und isobar (viel Gasvolumen verschwindet, wenig Flüssigkeitsvolumen entsteht) Flüssige Phase ist nahezu inkompressibel ( = const) Bei hohen Temperaturen verhält sich das reale Gas wie ein ideales Gas p + p e e = R T van der Waals-Gleichung Hohe Temperatur T i Ideales Gas p e = a 2 e = b a, b stospeziische van der Waals Konstanten T i T k ideal kritisch Phasenübergang zu Feststo bei tieen Temperaturen Kondensation T r real

19 1. Wärmelehre 2.8. PT-Diagramm realer Stoe 19 Phasendiagramm einer einkomponentigen Substanz Beispiel: Kohlendioxid, CO 2 Kritischer Punkt: keine eindeutig unterscheidbaren Aggregatzustände Tripelpunkt: Koexistenz aller 3 Aggregatzustände (Wasser: 6.1 mbar, C)

20 Kurzragen zur Thermodynamik I Optik: Lutspiegelung 1. Nennen Sie die drei Hauptsätze der Thermodynamik (und den 0-ten). 0. Hauptsatz der Wärmelehre: Beinden sich zwei Körper (A und B) im thermischen Gleichgewicht und beindet sich darüber hinaus Körper A mit einem Körper C im thermischen Gleichgewicht, so sind auch B und C im thermischen Gleichgewicht. Kurz: Wenn T A = T B und T A = T C dann ist auch T B =T C 1. Hauptsatz der Wärmelehre: Die einem Körper zugeührte Wärmemenge Q muss sich in der Zunahme der inneren Energie U und/oder in der von ihm nach außen geleisteten Arbeit W wiederinden. Kurz: Energieerhaltungssatz, es gilt Q = U - W 2. Hauptsatz der Wärmelehre: Die gesamte Entropie S eines jeden Systems plus der seiner Umgebung wächst als Resultat jedes natürlichen Prozesses Kurz: S = S Sys + S Umg > 0 3. Hauptsatz der Wärmelehre: Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist nicht zu erreichen

21 Augabe zur Thermodynamik I 1. Augabe: Optik: Lutspiegelung Welche Wärmemenge Q wird von einer Eisenbrücke der Masse m = t augenommen, wenn sich diese gleichmäßig im Tagesverlau um ΔT = 20 K erwärmt? Hinweis: Die Wärmekapazität von Eisen beträgt c Fe = 452 J/kgK.

22 Augabe zur Thermodynamik I 2. Augabe: Optik: Lutspiegelung Eine Kuperkugel hat den Radius r K = 5,005 cm und soll durch einen Ring mit dem Innenradius von 5 cm passen. Um wieviel Kelvin muss die Kugel mindestens erwärmt/abgekühlt werden? Hinweis: Der Ausdehnungskoeizient von Kuper ist = K -1

23 Augabe zur Thermodynamik II Optik: Lutspiegelung Zwei Liter eines idealen Gases werden bei konstantem Druck von T 1 = 0 C au T 2 = 100 C erwärmt. Um welchen Faktor vergrößert sich das olumen bei konstantem Druck? Hinweis: Der absolute Nullpunkt liege bei T= -273 C 1 T 1 = 2 T 2

24 Multiple Choice Augaben zur Thermodynamik I Optik: Lutspiegelung Was versteht man unter dem Tripelpunkt der Druck und das olumen, bei denen eine Substanz in den Aggregatzuständen est, lüssig und gasörmig gleichzeitig vorliegt. wahr alsch weiss nicht der Druck und die Temperatur, bei denen eine Substanz in den Aggregatzuständen est, lüssig und gasörmig gleichzeitig vorliegt. die Temperatur und das olumen, bei denen eine Substanz in den Aggregatzuständen est, lüssig und gasörmig gleichzeitig vorliegt.

25 Multiple Choice Augaben zur Thermodynamik II Optik: Lutspiegelung Bei einer isothermen Ausdehnung eines idealen Gases : ändert sich die Temperatur. wahr alsch weiss nicht ändert sich der Druck. ändert sich das olumen. wird Wärme von der Umgebung augenommen. wird Wärme an die Umgebung abgegeben. wird keine Arbeit verrichtet. wird die gesamte zugeührte Wärme in Arbeit umgesetzt.