Thermodynamik: von der Mikrophysik zur Makrophysik
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| New Title: | Thermodynamik für das Bachelorstudium |
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Heidelberg [u.a.]
Springer
2010
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INHALTSVERZEICHNIS
TEIL I GRUNDLAGEN
1 EINFUEHRUNG 3
1.1 WOZU WAERMELEHRE? 4
1.1.1 WAS IST WAERME UND WAS IST TEMPERATUR? 4
1.1.2 DIE TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER STOFFEIGENSCHAFTEN 6 1.1.3
ENERGIEUMWANDLUNG 8
1.1.4 THERMODYNAMIK UND STATISTISCHE PHYSIK 10
1.2 MESSMETHODEN FUER TEMPERATUR UND WAERMEENERGIE 11
1.2.1 TEMPERATURMESSUNG UND THERMOMETER 11
1.2.2 TEMPERATURSKALEN 15
1.2.3 WAERMEMESSUNG UND KALORIMETER 19
1.2.4 THERMISCHES GLEICHGEWICHT UND * NULLTER HAUPTSATZ . .. 22 1.3
EIN EINFACHES SYSTEM: DAS IDEALE GAS 24
1.3.1 ZUSTANDSGIEICHUNG UND ZUSTANDSFLAECHE 24
.3.2 DAS IDEALE GASMODELL 27
.3.3 MESSMETHODEN FUER ATOMARE GROESSEN 32
.3.4 DIE SUSZEPTIBILITAETEN IDEALER GASE 36
.3.5 MEHRATOMIGE IDEALE GASE 40
2 WAS IST TEMPERATUR? 51
2. 1 ANKNUEPFUNG AN DIE ERFAHRUNG 52
2.2 DIE DEFINITION DER TEMPERATUR 53
2.3 DIE ENERGIEZUSTAENDE EINES KLASSISCHEN TEILCHENS 60
2.4 DIE ZUSTANDSZAHL FUER EIN IDEALES GAS 68
2.5 VERGLEICH ZWISCHEN BERECHNETER UND GEMESSENER TEMPERATUR 74 2.6
ANALYSE DER ZUSTANDSFUNKTION I2(U) EINES IDEALEN GASES* 76 ANHANG
QUANTENMECHANISCHE HERLEITUNG DER ZUSTANDSFUNKTION 2(U) EINES IDEALEN
GASES 82
BIBLIOGRAFISCHE INFORMATIONEN HTTP://D-NB.INFO/996813276
DIGITALISIERT DURCH
IMAGE 2
X INHALTSVERZEICHNIS
3 ZWEI INTERESSANTE MODELLSYSTEME: IDEALER PARAMAGNET UND IDEALER
KRISTALL 93
3.1 IDEALER PARAMAGNET (*SPINSYSTEM ) 93
3.1.1 DAS MODELL 93
3.1.2 ZUSTANDSZAHL, TEMPERATUR UND MAGNETISCHE ENERGIE . . .. 96 3.1.3
DIE MAGNETISIERUNG 99
3.1.4 DIE SPINTEMPERATUR * 101
3.2 IDEALER KRISTALL (*EINSTEIN-KRISTALL ) 104
3.2.1 DAS MODELL 104
3.2.2 ZUSTANDSZAHL, TEMPERATUR UND KRISTALLENERGIE 105 3.2.3 DIE
WAERMEKAPAZITAET 108
3.3 UNTERSCHIEDE DER DREI BEHANDELTEN MODELLSYSTEME 109
4 ERSTER HAUPTSATZ DER THERMODYNAMIK, WAERME UND ARBEIT 113 4.1 DER ERSTE
HAUPTSATZ DER THERMODYNAMIK 114
4.1.1 ERSTER HAUPTSATZ UND ENERGIEBILANZ 114
4.1.2 IDEALES GAS 117
4.1.3 IDEALER PARAMAGNET 120
4.1.4 IDEALER KRISTALL 122
4.2 DER UNTERSCHIED ZWISCHEN WAERME UND ARBEIT 123
4.3 QUASISTATISCHE ZUSTANDSAENDERUNGEN 128
5 DIE ENTROPIE 133
5.1 DER ENTROPIEBEGRIFF (UEBERBLICK) 134
5.2 MESSUNG UND BERECHNUNG DER ENTROPIE 139
5.2.1 VERGLEICH DER ENTROPIEBEZIEHUNGEN VON CLAUSIUS UND BOLTZMANN 139
5.2.2 EXPERIMENTELLE BESTIMMUNG DER ENTROPIE 140
5.2.3 BERECHNUNG DER ENTROPIE 143
5.3 REVERSIBILITAET 145
5.4 BEISPIELE ZUR ENTROPIEBERECHNUNG 152
5.5 MISCHUNGSENTROPIE 157
5.6 DIE TEMPERATURABHAENGIGKEIT UND ALLGEMEINER NUTZEN DER ENTROPIE. 159
5.7 DER ZWEITE HAUPTSATZ DER THERMODYNAMIK 162
5.7.1 DIE VERSCHIEDENEN FORMEN DES ZWEITEN HAUPTSATZES . . .. 162 5.7.2
ZWEITER HAUPTSATZ UND GRUNDANNAHME 165
5.7.3 ZWEITER HAUPTSATZ ALS NATURGESETZ ODER ALS
WAHRSCHEINLICHKEITSAUSSAGE? 166
5.7.4 MAXWELLS DAEMON* 167
5.8 DER DRITTE HAUPTSATZ DER THERMODYNAMIK 170
5.8.1 DIE ENTROPIE FUER T-+ 0 170
5.8.2 DIE UNERREICHBARKEIT VON T- 0 173
5.9 ENTROPIE UND INFORMATION 175
ANHANG DIE ENTROPIEPRODUKTION EINES ELEKTRISCHEN NETZWERKS* 181
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS XI
6 WECHSELWIRKUNG ZWISCHEN SYSTEMEN UND BOLTZMANN-VERTEILUNG 1 87 6.1
WECHSELWIRKENDE SYSTEME AEHNLICHER GROESSE 188
6.2 WECHSELWIRKENDE SYSTEME VON SEHR VERSCHIEDENER GROESSE UND DIE
BOLTZMANN-VERTEILUNG 191
6.3 DER SCHWEBENDE GURU* 197
6.4 TEILCHEN IM GRAVITATIONSFELD UND BAROMETRISCHE HOEHENFORMEL . . ..
199 6.5 DIE TEMPERATURABHAENGIGKEIT ANGEREGTER ZUSTAENDE IN ATOMEN 201 6.6
IDEALER PARAMAGNET 203
6.7 DIE MAXWELL-VERTEILUNG DER GESCHWINDIGKEITEN VON GASMOLEKUELEN204 6.8
STERNATMOSPHAEREN 207
6.9 DER GLEICHVERTEILUNGSSATZ DER ENERGIE 208
TEIL II ENERGIEUMWANDLUNG
7 GERAETE UND MASCHINEN ZUR ENERGIEUMWANDLUNG 215
7.1 UEBERSICHT UEBER DIE METHODEN DER ENERGIEUMWANDLUNG 216 7.2
WAERME-KRAFT-MASCHINEN UND KUEHLMASCHINEN 219
7.2.1 GEMEINSAME MERKMALE SOLCHER MASCHINEN, WIRKUNGSGRAD UND
LEISTUNGSFAKTOR 219
7.2.2 DER HEISSLUFTMOTOR 226
7.2.3 DER CARNOT-PROZESS 234
7.2.4 VERBRENNUNGSMOTOREN 240
7.2.5 DAMPFMASCHINEN 246
7.2.6 TURBINEN 249
7.2.7 KUEHLMASCHINEN 252
7.3 KREISPROZESSE UND REALE MASCHINEN 256
7.3.1 ZUSTANDSAENDERUNGEN UND KREISPROZESSE 256
7.3.2 WIRKUNGSGRADE REALER MASCHINEN 259
7.3.3 OPTIMIERUNG VON MASCHINEN 265
7.3.4 EXERGIE UND ANERGIE 271
7.4 DIREKTUMWANDLUNG VON ENERGIE 273
7.4.1 DIE BRENNSTOFFZELLE 273
7.4.2 DIE SOLARZELLE 277
8 DAS ENERGIEPROBLEM 287
8.1 DER ENERGIEBEDARF 288
8.2 DIE DECKUNG DES ENERGIEBEDARFS UND DIE ENTROPIEPRODUKTION 291 8.3
DIE VORRAETE 295
8.4 DIE KURZFRISTIGE LOESUNG 298
8.5 SCHAEDLICHE NEBENWIRKUNGEN DER ENERGIEUMWANDLUNG 299 8.5.1 DER
TREIBHAUSEFFEKT 299
8.5.2 DER *ATOMMUELL 307
8.6 *UNERSCHOEPFLICHE ENERGIEQUELLEN 312
IMAGE 4
INHALTSVERZEICHNIS
8.7 NOCH NICHT FUNKTIONIERENDE UND UTOPISCHE ENERGIEQUELLEN 316 8.8
ENERGIEPRODUKTION UND THERMODYNAMIK DER SONNE 320
8.8.1 BEOBACHTUNGSDATEN UND STRUKTUR DER SONNE 321
8.8.2 DIE ENTSTEHUNG DER SONNE 321
8.8.3 DIE ENERGIEPRODUKTION DER SONNE 324
8.8.4 DER ENERGIETRANSPORT IN DER SONNE 325
8.8.5 DIE ENTROPIEPRODUKTION DER SONNE 327
8.8.6 DIE ENERGIEBILANZ DER SONNE 327
8.8.7 DIE WAERMEKAPAZITAET DER SONNE 330
8.8.8 DIE ZUKUNFT DER SONNE 331
TEIL III THERMISCHE EIGENSCHAFTEN DER STOFFE
9 PHASEN UND GLEICHGEWICHTSEIGENSCHAFTEN REINER STOFFE 337 9.1 DIE
ERSCHEINUNGSFORMEN DER KONDENSIERTEN MATERIE 338 9.1.1 CHARAKTERISIERUNG
VON PHASEN 338
9.1.2 EXISTENZBEDINGUNGEN VON PHASEN 338
9.1.3 WEGE IN DER ZUSTANDSFLAECHE 342
9.1.4 ZUSTANDSDIAGRAMME VERSCHIEDENER STOFFE 345
9.1.5 DER ORDNUNGSPARAMETER UND DIE MERKMALE VON PHASEN . 347 9.2
PHASENUMWANDLUNGEN 350
9.2.1 DIE UMWANDLUNGSENTHALPIE 350
9.2.2 SUBLIMATIONS-, SCHMELZ- UND SIEDEKURVEN 353
9.2.3 VERSCHIEDENE ARTEN VON PHASENUMWANDLUNGEN 356 9.2.4 DIE
UNIVERSALITAET AN KRITISCHEN PUNKTEN 359
9.2.5 KRITISCHE FLUKTUATIONEN 360
9.3 RESPONSE-EIGENSCHAFTEN 363
9.3.1 KLASSIFIKATION VON RESPONSE-GROESSEN 363
9.3.2 BEZIEHUNGEN ZWISCHEN RESPONSE-KOEFFIZIENTEN* 370 9.3.3 DIE
TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER STOFFEIGENSCHAFTEN* . .. 375
10 TRANSPORTPROZESSE 383
10.1 UEBERBLICK UEBER DIE TRANSPORTPROZESSE 384
10.2 DIE FREIE WEGLAENGE VON MOLEKUELEN 391
10.3 WAERMELEITUNG 395
10.4 VISKOSITAET UND SCHERSTROEMUNG 398
10.5 DIFFUSION 402
10.6 DRIFTDIFFUSION 408
10.7 ZUSAMMENHAENGE ZWISCHEN TRANSPORTKOEFFIZIENTEN 415 10.8
WAERMEUEBERGANG UND WAERMEDURCHGANG 415
10.8.1 ZWEI ARTEN DES ENERGIETRANSPORTS 415
10.8.2 WAERMETRANSPORT DURCH MEHRFACHSCHICHTEN 420
IMAGE 5
INHALTSVERZEICHNIS XIII
10.9 ENTROPIEPRODUKTION BEI TRANSPORTPROZESSEN 426
10.9.1 GLEICHGEWICHT UND NICHTGLEICHGEWICHT 426
10.9.2 LINEARE TRANSPORTPROZESSE UND ENTROPIEERZEUGUNG 428 10.9.3
DISSIPATIVE STRUKTUREN 431
10.9.4 BIOLOGISCHE EVOLUTION 435
11 SYSTEME WECHSELWIRKENDER TEILCHEN* 439
11.1 REALE GASE 439
11.1.1 ZUSTANDSGIEICHUNGEN UND MOLEKULARKRAEFTE 440 11.1.2
GLEICHGEWICHTSEIGENSCHAFTEN REALER GASE UND FLUIDE 452 11.1.3 GASE ALS
KUEHLMITTEL: JOULE-, THOMSON- UND KELVIN-EFFEKTE 459
11.2 REALE MAGNETE 469
11.2.1 MAGNETISCHE ORDNUNG UND MAGNETISCHE ZUSTANDSFLAECHE .469 11.2.2
PARAMAGNETISMUS 473
11.2.3 FERROMAGNETISMUS 476
11.2.4 MAGNETISCHE MASSSYSTEME 487
11.2.5 ANTIFERROMAGNETISMUS* 488
11.2.6 FERRIMAGNETISMUS* 492
11.2.7 DIE URSACHEN DER MAGNETISCHEN WECHSELWIRKUNG 496 11.3 REALE
KRISTALLE 503
TEIL IV ERGAENZUNGEN
12 THERMODYNAMISCHE POTENZIALE 519
12. 1 DIE FREIEN ENERGIEN UND ENTHALPIEN 520
12.1.1 DEFINITION UND BEDEUTUNG DER THERMODYNAMISCHEN POTENZIALE 520
12.1.2 MAXWELL-BEZIEHUNGEN 529
12.1.3 DER ZUSAMMENHANG ZWISCHEN DEN POTENZIALEN UND DER MIKROPHYSIK*
532
12.1.4 EIN BEISPIEL FUER DEN NUTZEN DES GROSSEN POTENZIALS* . . .. 537
12.2 DAS CHEMISCHE POTENZIAL 541
12.2.1 *CHEMISCHE ARBEIT UND ENERGIEBILANZ 541
12.2.2 DAS CHEMISCHE POTENZIAL VERSCHIEDENER SYSTEME 547 12.2.3 DIE
*MESSUNG DES CHEMISCHEN POTENZIALS 550 12.2.4 DAS CHEMISCHE POTENZIAL
BEI DER OSMOSE 551
12.2.5 DER DAMPFDRUCK VERDUENNTER LOESUNGEN 556
12.2.6 CHEMISCHES POTENZIAL IN AEUSSEREN FELDERN 559
13 SCHWANKUNGSERSCHEINUNGEN 563
13.1 BROWNSCHE BEWEGUNG 564
13.2 FLUKTUATIONSTHEOREME 571
13.3 DAS FREIE-ENERGIE-THEOREM (JARZYNSKI-GLEICHUNG) 587
IMAGE 6
XIV INHALTSVERZEICHNIS
NACHWORT 593
ANHAENGE 595
A LITERATUREMPFEHLUNGEN, EINE PERSOENLICHE AUSWAHL 597
B DIDAKTISCHE ANMERKUNGEN 601
C UMRECHNUNG VON ENERGIE- UND LEISTUNGSEINHEITEN 605
D NATUR- UND MASSSYSTEM-KONSTANTEN 607
E UMRECHNUNGSFAKTOREN FUER MECHANISCHE UND THERMISCHE EINHEITEN . .. 609
LITERATURHINWEISE ZU DEN ABBILDUNGEN 611
NAMENSVERZEICHNIS 613
SACHVERZEICHNIS 615
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