Warming Up: Heat & Thermodynamics
Hitze und Thermodynamik untersuchen Hitze als Form der Energieübertragung und die Thermodynamikgesetze, die die Energieumwandlungen regeln, und zeigen, wie Energie fließt und sich in Systemen verändert. Hitze überträgt Energie aufgrund von Temperaturunterschieden, während die Thermodynamikgesetze bestimmen, wie Energie, Arbeit und Entropie sich verhalten, und einen Rahmen für das Verständnis von Prozessen wie der Effizienz von Motoren, dem Schmelzen von Eis und sogar dem Schicksal des Universums bieten.
Überblick über Hitze & Thermodynamik
Hitze und Thermodynamik werden durch Schlüsselkonzepte und Prinzipien des Energieverhaltens definiert. Hier ist die Aufschlüsselung:
- Wärmeübertragung: Die Bewegung von thermischer Energie aufgrund von Temperaturunterschieden, über Konduktion, Konvektion oder Strahlung.
- Erstes Gesetz der Thermodynamik: Energieerhaltung – Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden, sondern nur übertragen oder umgewandelt werden (ΔU = Q - W).
- Zweites Gesetz der Thermodynamik: Die Entropie eines isolierten Systems nimmt zu; Wärme fließt spontan von heiß zu kalt.
- Drittes Gesetz der Thermodynamik: Wenn die Temperatur den absoluten Nullpunkt (0 K) erreicht, nimmt die Entropie eines Systems einen minimalen Wert an.
Beispiele für Hitze & Thermodynamik
Beispiele für Wärmeübertragung
- Konduktion: Ein Metalllöffel in einer heißen Suppe wird warm, da die Wärme durch Konduktion von der Suppe geleitet wird.
- Konvektion: Warme Luft steigt in einem beheizten Raum auf und erzeugt einen Konvektionsstrom.
- Strahlung: Die Sonne erwärmt die Erde durch elektromagnetische Wellen im Weltraum.
Beispiele für das Erste Gesetz der Thermodynamik
- In einem Verbrennungsmotor werden 500 J Wärme (Q) hinzugefügt, 200 J Arbeit (W) verrichtet, wodurch die innere Energie um 300 J erhöht wird (ΔU = Q - W).
- Ein schmelzender Eiskub absorbiert 1000 J Wärme ohne Arbeit und erhöht seine innere Energie um 1000 J.
- Durch Komprimieren eines Gases mit 300 J Arbeit und Verlust von 100 J Wärme wird die innere Energie um 200 J verringert.
Beispiele für das Zweite Gesetz der Thermodynamik
- Ein Eiskub schmilzt in einem warmen Raum, da Wärme von dem Raum (heiß) zum Eis (kalt) fließt.
- Ein Kühlschrank überträgt Wärme von innen (kalt) nach außen (heiß), erfordert aber Arbeit von Elektrizität.
- Ein Automotor verliert einige Energie als Wärme und erhöht die Entropie der Umgebung.
Beispiele für das Dritte Gesetz der Thermodynamik
- Bei 0 K hat ein perfektes Kristall eine Entropie von Null, da die molekulare Bewegung aufhört.
- Die Entropie des Helium nähert sich bei absoluter Null einen minimalen Wert zu, erreicht aber nie vollständig 0 K.
- Durch Abkühlen eines Gases auf nahezu 0 K wird seine Entropie auf einen minimalen Wert reduziert.