Was ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik?
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme eine Energieform ist und thermodynamische Prozesse daher dem Energieerhaltungssatz unterliegen. Das bedeutet, dass Wärmeenergie weder erzeugt noch vernichtet werden kann Britannica. Es kann jedoch von einem Ort zum anderen transportiert und in andere Energieformen umgewandelt werden.
Die Thermodynamik ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit den Zusammenhängen zwischen Wärme und anderen Energieformen befasst. Insbesondere wird beschrieben, wie thermische Energie in und aus anderen Energieformen umgewandelt wird und wie sie Materie beeinflusst. Die Grundprinzipien der Thermodynamik werden in vier Gesetzen ausgedrückt.
„Der erste Hauptsatz besagt, dass die innere Energie eines Systems gleich der Arbeit sein muss, die an dem System verrichtet wird, plus oder minus der Wärme, die in das System hinein- oder aus ihm herausfließt, und jeder anderen Arbeit, die an dem System verrichtet wird “, sagte Saibal Mitra, Professor für Physik an der Missouri State University, gegenüber Live Science. „Also ist es eine Neuformulierung der Energieerhaltung.“
„Die Änderung der inneren Energie eines Systems ist die Summe aller Energieein- und -ausgänge in und aus dem System, ähnlich wie alle Ein- und Auszahlungen, die Sie vornehmen, die Änderungen Ihres Bankguthabens bestimmen“, sagte Mitra.
Dies wird mathematisch ausgedrückt als: ΔU = Q — Wwobei ΔU ist die Änderung der inneren Energie, Q ist die Wärme, die dem System zugeführt wird, und W ist laut Britannica die vom System geleistete Arbeit.
Geschichte des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik
Wissenschaftler im späten 18. und frühen 19. Jahrhundert hielten an der Kalorientheorie fest, die erstmals 1783 von Antoine Lavoisier vorgeschlagen und 1824 durch die Arbeit von Sadi Carnot weiter gestärkt wurde Amerikanische Physikalische Gesellschaft. Diese wissenschaftliche Theorie behandelte Wärme als eine Art Flüssigkeit, die auf natürliche Weise von heißen zu kalten Regionen fließt, ähnlich wie Wasser von hohen zu niedrigen Orten fließt. Wenn diese kalorische Flüssigkeit von einer heißen in eine kalte Region floss, konnte sie in kinetische Energie umgewandelt und dazu gebracht werden, Arbeit zu verrichten, ähnlich wie fallendes Wasser ein Wasserrad antreiben könnte. Erst als Rudolf Clausius 1867 „Die mechanische Theorie der Wärme“ veröffentlichte, wurde die Wärmetheorie endgültig zur Ruhe gebracht, so die Universität von Virginia.
Thermodynamische Systeme
Energie kann in zwei Teile geteilt werden, sagte David McKee, Professor für Physik an der Missouri Southern State University. Einer ist unser makroskopischer Beitrag im menschlichen Maßstab, wie ein Kolben, der sich bewegt und auf ein Gassystem drückt. Der Rest besteht aus den Dingen, die in einem sehr kleinen Maßstab passieren, wo wir die einzelnen Beiträge nicht verfolgen können.
„Wenn ich zwei Metallproben gegeneinander lege und die Atome an der Grenze herumrasseln und zwei Atome ineinander prallen und eines davon schneller abgeht als das andere, kann ich es nicht verfolgen . Es passiert auf einer sehr kleinen Zeitskala und in einer sehr kleinen Entfernung, und es passiert viele, viele Male pro Sekunde “, sagte McKee gegenüber WordsSideKick.com. „Also teilen wir einfach die gesamte Energieübertragung in zwei Gruppen auf: das Zeug, das wir im Auge behalten werden, und das Zeug, das wir nicht im Auge behalten werden. Letzteres nennen wir Wärme.“
Thermodynamische Systeme werden allgemein als offen, geschlossen oder isoliert betrachtet. Entsprechend der Universität von Calgary, ein offenes System tauscht frei Energie und Materie mit seiner Umgebung aus; ein geschlossenes System tauscht mit seiner Umgebung Energie, aber keine Materie aus; und ein isoliertes System tauscht keine Energie oder Materie mit seiner Umgebung aus. Beispielsweise erhält ein Topf mit kochender Suppe Energie vom Herd, strahlt Wärme von der Pfanne ab und gibt Materie in Form von Dampf ab, der ebenfalls Wärmeenergie abführt. Dies wäre ein offenes System. Wenn wir einen dichten Deckel auf den Topf setzen, würde er immer noch Wärmeenergie abstrahlen, aber im Idealfall keine Materie mehr in Form von Dampf abgeben. Das wäre ein geschlossenes System. Würden wir die Suppe jedoch in eine perfekt isolierte Thermosflasche füllen und den Deckel verschließen, würde weder Energie noch Materie in das System ein- oder austreten. Dies wäre ein isoliertes System.
In der Praxis kann es jedoch keine perfekt isolierten Systeme geben. Alle Systeme geben Energie an ihre Umgebung ab, egal wie gut sie isoliert sind. Die Suppe in der Thermoskanne bleibt nur wenige Stunden heiß und erreicht am nächsten Tag Zimmertemperatur. In einem anderen Beispiel können weiße Zwergsterne, die heißen Überreste ausgebrannter Sterne, die keine Energie mehr produzieren, durch Lichtjahre nahezu perfektes Vakuum im interstellaren Raum isoliert werden, aber sie werden schließlich von mehreren Zehntausend Grad abkühlen aufgrund von Energieverlust durch Strahlung auf nahe dem absoluten Nullpunkt. Obwohl dieser Prozess länger dauert als das gegenwärtige Alter des Universums, ist er nicht aufzuhalten.
Wärmekraftmaschinen
Die häufigste praktische Anwendung des Ersten Hauptsatzes ist die Wärmekraftmaschine. Wärmekraftmaschinen wandeln thermische Energie in mechanische Energie um und umgekehrt. Die meisten Wärmekraftmaschinen fallen in die Kategorie der offenen Systeme. Das Grundprinzip einer Wärmekraftmaschine nutzt die Beziehungen zwischen Wärme, Volumen und Druck eines Arbeitsfluids (beliebiger Stoff, der fließt), typischerweise eines Gases, aus Georgia State University. Beispiele für Arbeitsflüssigkeiten umfassen Dampf in einer Dampfmaschine und Fluorkohlenwasserstoffe in Kühlsystemen.
Wenn Gas erhitzt wird, dehnt es sich aus; Wenn dieses Gas jedoch am Ausdehnen gehindert wird, steigt sein Druck an. Wenn die untere Wand der Begrenzungskammer die Oberseite eines beweglichen Kolbens ist, übt dieser Druck eine Kraft auf die Oberfläche des Kolbens aus, was bewirkt, dass er sich nach unten bewegt. Diese Bewegung kann dann genutzt werden, um Arbeit zu verrichten, die der Gesamtkraft entspricht, die auf die Oberseite des Kolbens ausgeübt wird, multipliziert mit der Entfernung, um die sich der Kolben bewegt.
Es gibt zahlreiche Variationen der grundlegenden Wärmekraftmaschine. Zum Beispiel verlassen sich Dampfmaschinen auf externe Verbrennung, um einen Kesseltank zu erhitzen, der das Arbeitsfluid, typischerweise Wasser, enthält. Das Wasser wird in Dampf umgewandelt und der Druck wird dann verwendet, um einen Kolben anzutreiben, der Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt. Automotoren verwenden jedoch eine interne Verbrennung, bei der flüssiger Kraftstoff verdampft, mit Luft gemischt und in einem Zylinder über einem beweglichen Kolben gezündet wird, wodurch er nach unten getrieben wird Die Universität von Oklahoma.
Kühlschränke, Klimaanlagen und Wärmepumpen
Kühlschränke und Wärmepumpen sind Wärmekraftmaschinen, die mechanische Energie in Wärme umwandeln. Die meisten davon fallen in die Kategorie der geschlossenen Systeme. Wenn das Arbeitsfluid oder Gas komprimiert wird, steigt seine Temperatur. Dieses heiße Gas kann dann Wärme an seine Umgebung abgeben. Wenn sich das komprimierte Gas dann ausdehnen lässt, wird seine Temperatur kälter als vor der Komprimierung, da ein Teil seiner Wärmeenergie während des Heißzyklus entfernt wurde. Dieses kalte Gas kann dann Wärmeenergie aus seiner Umgebung aufnehmen. Dies ist das Funktionsprinzip hinter einer Klimaanlage, gemäß Boston Universität. Klimaanlagen erzeugen nicht wirklich Kälte; sie entziehen Wärme.
Eine mechanische Pumpe fördert das Arbeitsmedium ins Freie, wo es durch Kompression erhitzt wird. Als nächstes wird die Wärme an die Außenumgebung übertragen, normalerweise durch einen luftgekühlten Wärmetauscher, der häufig einen elektrischen Ventilator verwendet, um Wärme an die Umgebung abzugeben. Dann wird das Arbeitsmedium wieder in den Innenbereich zurückgeführt, wo es sich ausdehnen und abkühlen kann, damit es über einen weiteren Wärmetauscher Wärme aus der Innenluft aufnehmen kann.
Eine Wärmepumpe ist einfach eine umgekehrt betriebene Klimaanlage. Die Wärme des komprimierten Arbeitsmediums wird zur Beheizung des Gebäudes genutzt. Anschließend wird es nach außen transportiert, dehnt sich aus und wird kalt, wodurch es Wärme aus der Außenluft aufnehmen kann, die auch im Winter meist wärmer ist als das kalte Arbeitsmedium. Das Arbeitsfluid hat typischerweise einen ausreichend niedrigen Gefrierpunkt, um selbst bei sehr niedrigen Temperaturen weiter zu fließen.
Geothermische oder Erdwärme-Klimaanlagen und Wärmepumpensysteme verwenden lange U-förmige Rohre in tiefen Brunnen oder eine Reihe von horizontalen Rohren, die in einem großen Bereich vergraben sind, durch die das Arbeitsmedium zirkuliert und entsprechend Wärme zur oder von der Erde übertragen wird zum US-Energieministerium. Andere Systeme verwenden Flüsse oder Meerwasser, um das Arbeitsfluid zu erhitzen oder zu kühlen.
Ashley Hamer, Mitarbeiterin von Live Science, hat diesen Artikel am 28. Januar 2022 aktualisiert.
Zusätzliche Ressourcen
Hier sind drei weitere Erklärungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik:
Literaturverzeichnis
Britannica, „Das erste Gesetz der Thermodynamik“, 1. Juni 2021. https://www.britannica.com/science/thermodynamics/The-first-law-of-thermodynamics
Institut für Wissenschaftsgeschichte, „Antoine-Laurent Lavoisier“, 11. Dezember 2017. https://sciencehistory.org/historical-profile/antoine-laurent-lavoisier
Die American Society of Mechanical Engineers, „Nicolas Léonard Sadi Carnot“, 10. April 2012, https://www.asme.org/topics-resources/content/nicolas-leonard-sadi-carnot
Rudolfph Clausius, „Die mechanische Theorie der Wärme“. John van Voorst, 1867.
American Physical Society, „This Month Physics History December 1840: Joule’s Abstract on Converting Mechanical Power in Heat“, Dezember 2009. https://www.aps.org/publications/apsnews/200912/physichistory.cfm
University of Virginia, „Teaching Heat: the Rise and Fall of the Caloric Theory“, Juli 2003. http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/TeachingHeat.htm
University of Calgary Energy Education, „System and Surrounding“, 27. September 2021. https://energyeducation.ca/encyclopedia/System_and_surrounding
Hyperphysik der University of Georgia, „Heat Engine Cycle“, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heaeng.html
E-Kurse der University of Oklahoma, „Thermodynamik – Theorie“. http://www.ecourses.ou.edu/cgi-bin/ebook.cgi?topic=th&chap_sec=08.1&page=theory
Boston University, „Wärmekraftmaschinen und das zweite Gesetz“, 10. Dezember 1999. http://physics.bu.edu/~duffy/py105/Heatengines.html
US-Energieministerium, „Geothermische Wärmepumpen“. https://www.energy.gov/energysaver/geothermal-heat-pumps