Thermodynamik: eine Einführung
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Berlin ; Heidelberg
Springer Spektrum
2015
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INHALTSVERZEICHNIS
TEIL I KLASSISCHE WAERMELEHRE
1 EINFUEHRUNG 3
1.1 GRUNDLEGENDE BEGRIFFE UND DEFINITIONEN 4
2 DAS IDEALE GAS 7
2.1 EMPIRISCHE ERGEBNISSE 8
2.2 TEMPERATURSKALEN 13
2.3 UNIVERSELLE GASGLEICHUNG 20
3 DAS REALE GAS 25
3.1 DIE VAN DER WAALS-GLEICHUNG 28
4 UEBUNGSAUFGABEN ZUR KLASSISCHEN WAERMELEHRE 41
4.1 FRAGEN 41
4.2 LOESUNGEN ZU DEN UEBUNGSAUFGABEN 45
TEIL II DIE HAUPTSAETZE DER KLASSISCHEN THERMODYNAMIK
5 EINFUEHRUNG 59
5.1 DIE VIER HAUPTSAETZE DER THERMODYNAMIK 59
5.2 BEGRIFFSDEFINITIONEN 59
6 0. HAUPTSATZ DER THERMODYNAMIK 63
7 1. HAUPTSATZ DER THERMODYNAMIK 65
7.1 FORMULIERUNG DES 1. HAUPTSATZES UND ZUSTANDSFUNKTIONEN 65
7.2 INNERE ENERGIE 67
7.3 VOLLSTAENDIGES DIFFERENTIAL, ZUSTANDSFUNKTION UND MAXIMALE ARBEIT 70
7.4 ADIABATE ZUSTANDSAENDERUNGEN, POISSON-GLEICHUNG 73
XV
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XVI
INHALTSVERZEICHNIS
8 DER CARNOT-PROZESS UND DER 2. HAUPTSATZ DER THERMODYNAMIK . 77
8.1 DER CARNOT-PROZESS 77
8.2 2. HAUPTSATZ DER THERMODYNAMIK UND THERMODYNAMISCHE
ZUSTANDSFUNKTIONEN 83
9 DIE MATHEMATISCHE STRUKTUR DER THERMODYNAMIK 87
9.1 DIE LEGENDRE-TRANSFORMATION 87
9.2 TOTALES DIFFERENTIAL UND WEGUNABHAENGIGKEIT 93
9.3 INTEGRIERENDER FAKTOR 101
9.4 DIE MATHEMATISCHE STRUKTUR DER THERMODYNAMIK IM UEBERBLICK . . 104
10 IRREVERSIBLE PROZESSE 107
10.1 DER JOULE-THOMSON-EFFEKT 107
10.2 NOCH EINMAL DAS IDEALE GAS 113
10.3 DIE WAERMEKAPAZITAET: C
P
UND CV 115
10.4 REVERSIBLE UND IRREVERSIBLE PROZESSE 117
10.5 BERECHNUNG DER ENTROPIEAENDERUNG BEI IRREVERSIBLEN PROZESSEN . . .
119
11 SPONTANE PROZESSE BEI CHEMISCHEN REAKTIONEN 129
11.1 ISOLIERTES SYSTEM 131
11.2 ISENTROPER-ISOCHORER FALL 132
11.3 ISENTROPER-ISOBARER FALL 132
11.4 ISOTHERMER-ISOCHORER FALL 133
11.5 ISOTHERM-ISOBARER FALL 133
11.6 ZUSAMMENFASSUNG 134
12 3. HAUPTSATZ DER THERMODYNAMIK 137
13 UEBUNGSAUFGABEN ZU DEN HAUPTSAETZEN DER KLASSISCHEN
THERMODYNAMIK 143
13.1 FRAGEN 143
13.2 LOESUNGEN ZU DEN UEBUNGSAUFGABEN 152
TEIL III ANWENDUNGEN
14 CHEMISCHE REAKTIONEN 177
14.1 DAS HABER-BOSCH-VERFAHREN 192
14.2 REAKTIONEN IN LOESUNG 196
15 PHASENGLEICHGEWICHTE BEI EINKOMPONENTENSYSTEMEN 199
16 KOLLIGATIVE EIGENSCHAFTEN 213
16.1 DIE GIBBS'SCHE PHASENREGEL 213
16.2 VOLLSTAENDIG IN FLUESSIGER PHASE MISCHBARE SYSTEME 214
16.3 VOLLSTAENDIG IN FLUESSIGER PHASE MISCHBARE SYSTEME
AUS ZWEI FLUECHTIGEN KOMPONENTEN 217
INHALTSVERZEICHNIS
XVII
16.4 DAMPFDRUCKERNIEDRIGUNG 225
16.5 GEFRIERPUNKTERNIEDRIGUNG UND SIEDEPUNKTERHOEHUNG 225
16.6 OSMOTISCHER DRUCK 227
16.7 CHEMISCHES POTENZIAL BEI IDEALEN MISCHUNGEN 233
17 NICHT IDEALE LOESUNGEN 237
17.1 AZEOTROPE GEMISCHE 242
17.2 ZUSAMMENSTELLUNG DER WICHTIGSTEN ERGEBNISSE
BEI HOMOGENEN MISCHUNGEN 245
18 NICHT VOLLSTAENDIG MISCHBARE MEHRKOMPONENTENSYSTEME
UND DEREN PHASENDIAGRAMME 247
18.1 DESTILLATION PARTIELL MISCHBARER FLUESSIGKEITEN 251
18.2 FLUESSIG-FEST-PHASENDIAGRAMME 254
18.3 INKONGRUENTES SCHMELZEN 258
18.4 ZONENSCHMELZEN 259
18.5 DREIKOMPONENTEN-PHASENDIAGRAMME 261
19 UEBUNGSAUFGABEN ZU DEN ANWENDUNGEN 267
19.1 FRAGEN 267
19.2 LOESUNGEN ZU DEN UEBUNGSAUFGABEN 277
TEIL IV EIN WENIG STATISTIK
20 KINETISCHE GASTHEORIE 293
20.1 EINFUEHRUNG 293
20.2 KINETISCHE THEORIE DES DRUCKS EINES IDEALEN GASES 301
20.3 TEMPERATUR UND ENERGIE 303
20.4 VERTEILUNGSFUNKTIONEN UND MITTELWERTE 305
20.5 DIE MAXWELL'SCHE GESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG 307
20.6 DIE ENERGIEVERTEILUNGSFUNKTION 314
20.7 MITTLERE FREIE WEGLAENGE UND STOSSZAHL 315
20.8 WAERMEKAPAZITAET UND IDEALES GAS 319
21 UEBUNGSAUFGABEN ZUR STATISTISCHEN THERMODYNAMIK 325
21.1 FRAGEN 325
21.2 LOESUNGEN ZU DEN UEBUNGSAUFGABEN 326
22 STATISTISCHES ENSEMBLE UND POSTULATE
DER STATISTISCHEN THERMODYNAMIK 331
23 DAS KANONISCHE ENSEMBLE 335
24 KANONISCHES ENSEMBLE UND THERMODYNAMIK 345
25 DAS GROSSKANONISCHE ENSEMBLE 353
XVIII INHALTSVERZEICHNIS
26 DAS MIKROKANONISCHE ENSEMBLE 363
26.1 WIE GEHT ES WEITER? 365
LITERATUR 367
ABBILDUNGSNACHWEIS 371
KONSTANTEN UND UMRECHNUNGSFAKTOREN 375
SACHVERZEICHNIS 377
THERMODYNAMIK
/ LAUTH, GUENTER JAKOB
: 2015
ABSTRACT / INHALTSTEXT
„THERMODYNAMIK IST EIN KOMISCHES FACH. DAS ERSTE MAL, WENN MAN SICH
DAMIT BEFASST, VERSTEHT MAN NICHTS DAVON…“ DIESES ZITAT DES
BERUEHMTEN PHYSIKERS ARNOLD SOMMERFELD SPRICHT WOHL VIELEN STUDIERENDEN
DER ERSTEN SEMESTER AUS DEM HERZEN. IN DER TAT WIRKEN DIE VIELZAHL AN
THERMODYNAMISCHEN GROESSEN WIE INNERE ENERGIE, ENTHALPIE, GIBBS'SCHE
ENERGIE GERADE FUER DEN ANFAENGER RECHT VERWIRREND. ZUGEGEBEN –
THERMODYNAMIK IST NICHT EINFACH, UND DESHALB IST EIN GUTES LEHRKONZEPT
BESONDERS WICHTIG. EINERSEITS DARF DER STUDIERENDE NICHT MIT
AKADEMISCHEN DEFINITIONEN UND MATHEMATISCHEN ABLEITUNGEN ERSCHLAGEN,
ANDERERSEITS ABER AUCH NICHT MIT „THERMODYNAMIK LIGHT“ MIT
TRUEGERISCHEM HALBWISSEN ABGESPEIST WERDEN. DAS VORLIEGENDE LEHRBUCH
BASIERT AUF JAHRZEHNTELANGER LEHRERFAHRUNG DER AUTOREN UND FOLGT DEM VON
CARATHEODORY AUFGEZEIGTEN ZUGANG ZUR THERMODYNAMIK. DIESES IN DEN
TRADITIONELLEN LEHRBUECHERN EHER SELTENE KONZEPT STELLT EINEN
MATHEMATISCHEN ZUSAMMENHANG ZWISCHEN DEN ZAHLREICHEN THERMODYNAMISCHEN
GROESSEN HER UND HAT BEREITS ALBERT EINSTEIN BEGEISTERT.
„THERMODYNAMIK – EINE EINFUEHRUNG“ RICHTET SICH AN ALLE
STUDIERENDEN DER CHEMIE, DER BIOLOGIE, DER PHYSIK UND DES MASCHINENBAUS
IM BACHELOR-STUDIENGANG. DAS BUCH ZEICHNET SICH DURCH EINE DURCHGAENGIGE
HERLEITUNG DER RELEVANTEN GESETZE UND THEORIEN AUF BASIS LOGISCHER
UEBERLEGUNGEN UND AUS DER BEOBACHTUNG DER NATUR UND DER KONZEPTION
GEEIGNETER EXPERIMENTE AUS. ZAHLREICHE AUFGABEN (MIT KOMPLETTEM
LOESUNGSWEG IM ANHANG) ERGAENZEN DAS WERK. ZUDEM EXISTIEREN ZU DEN
MEISTEN KAPITELN DES LEHRBUCHS PODCASTS. DAS BUCH EIGNET SICH AUCH
AUSGEZEICHNET ZUM SELBSTSTUDIUM. DIE AUTOREN PROF. DR. GUENTER JAKOB
LAUTH, FH AACHEN DR. JUERGEN KOWALCZYK, FH AACHEN
DIESES SCHRIFTSTUECK WURDE MASCHINELL ERZEUGT. |
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