Dieser Audiobeitrag wird von der Universität Erlangen-Nürnberg präsentiert.

Ok, hallo, guten Morgen. Wir haben gerade die Thermodynamik begonnen, wo man also nicht nur in einem Gleichgewichtszustand ist, sondern tatsächlich Veränderungen vornimmt.

Und die Veränderungen kommen zum Beispiel zustande, indem Parameter des Systems verändert werden und der einfachste wäre das Volumen.

Man komprimiert das Volumen beispielsweise und dann verrichtet man Arbeit, mechanische Arbeit.

Wir hatten das letzte Mal dann begonnen, die Thermodynamik allgemein aufzubauen, wo wir keinen Rückgriff mehr machen wollen auf die Dinge, die wir schon kennen aus der statistischen Physik.

Und am Anfang stehen natürlich ein paar Definitionen. Wir haben gesagt, es gibt thermodynamische Parameter wie Temperatur, Druck, Volumen und so weiter.

Es gibt eine Zustandsgleichung, die dann spezifisch ist für das System, zum Beispiel dieses Gas oder jene Flüssigkeit hat einen anderen Zusammenhang zwischen Druck und Volumen und Temperatur.

Es gibt thermodynamische Prozesse, wo man eben Parameter ändert, wie das Volumen und dann schaut, was passiert.

Es gibt unter diesen Prozessen speziell auch solche, die reversibel ist, das heißt, wenn man den Parameter andersrum ändert, zum Beispiel statt komprimiert, dann wieder expandiert, dann kommt man zum Anfangszustand zurück.

Typischerweise funktioniert das nur, wenn man schön langsam ist, damit man nicht irreversibel irgendwelche Reibungshitze erzeugt.

Und all solche Prozesse können dann grafisch dargestellt werden, indem man ein Diagramm von den verschiedenen thermodynamischen Parametern zeichnet, zum Beispiel Druck und Volumen, und dort einen Pfad anzeichnet.

Wir hatten dann auch definiert, was Arbeit und Wärme sind und wie wir das vorzeichengesondere definieren, das möchte ich nochmal kurz hinschreiben.

Also unsere Arbeit wird immer vom System geleistet und die ist dann pdV, also wenn das Volumen sich ausdehnt, dann drückt sozusagen das Gas nach außen irgendwas weg und leistet Arbeit.

Und dann gab es die Wärme und die Wärme wurde immer dem System zugeführt.

Das heißt, wenn ich keine Arbeit habe, dann ist die Energieänderung einfach diese Wärme zuvor.

Und ich hatte schon gesagt, mikroskopisch betrachtet ist dieser Energieübertrag mit der Wärme auch nichts anderes als der Energieübertrag mit der Arbeit.

Es wird auch hier Arbeit geleistet, aber von mikroskopischen fluktuierenden Kräften, wo der Mittelwert Null wäre und deswegen können wir nicht eine makroskopische Arbeit definieren, die dazu gehört.

Die haben wir auch nicht unter Kontrolle. Die makroskopische mechanische Arbeit haben wir unter Kontrolle, indem wir selber entscheiden, wie wir das Volumen komprimieren und den Kolben reindrücken,

während die mikroskopische Arbeit, die hier den Wärmefluss beschreibt, die haben wir nicht unter Kontrolle.

Gut, jetzt wollen wir beginnen mit den sogenannten Hauptsätzen der Thermodynamik.

Also das hat sich dann im 19. Jahrhundert entwickelt, dass man aus der Natur einige Beobachtungen zusammenfasst in gewisser Maße Axiome.

Im Wesentlichen gibt es nur zwei und dann noch ein drittes, was dazugekommen ist.

In Axiome und Definitionen wie diese. Und aus denen kann man alles andere aufbauen.

Und das ist ziemlich erstaunlich, dass man auch so wenig, so viel aufbauen kann.

Okay, wir starten naheliegenderweise mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik.

Und der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist die Energieerhaltung.

Und das ist heutzutage irgendwie selbstverständlich, dass die Energie erhalten ist, weil man kennt die mikroskopische Physik,

man weiß, wie man mikroskopische Physik beschreibt und alle Gesetze sind so, dass man Energien definieren kann, die erhalten sind in der Summe.

Aber als das eingeführt wurde, war das noch überhaupt nicht selbstverständlich.

In der Tat ist die Energieerhaltung, hat man sich zur Energieerhaltung vorgetastet in der Mitte des 19. Jahrhunderts aus solchen thermodynamischen Beobachtungen.

Weil es ist schon deswegen nicht offensichtlich, weil es Reibung gibt.

Also man kennt natürlich mechanische Energieerhaltung schon aus Newton.

Aber wenn man jetzt hier sich was bewegen lässt, dann kommt es zur Ruhe offenbar und plötzlich ist die kinetische Energie null, hat sich auch nicht in potenzielle Energie umgewandelt.

Also es scheint so, als sei die Energie nicht erhalten.

Dann muss man erst mal draufkommen, dass diese Energie jetzt steckt in regelloser mikroskopischer Bewegung, eben der Wärme, der warme Bewegung.

Okay, also wir starten mit dem ersten Hauptsitz.

Nun, wir haben diese beiden Beiträge zur Energieänderung des Systems, Arbeit und Wärme.

Das schreiben wir so hin.

dE ist gleich dQ minus dW.

Und nun kann man sich fragen, ich starte in einem Prozess mit einem gewissen Volumen und Temperatur und Druck und so weiter.

Dann mache ich verschiedene Dinge, die Temperatur und der Druck und das Volumen verändern sich.

Und ich komme bei einem gewissen Endzustand heraus.

Und das ist hier das Bild daneben.

V und T sagen wir.

Und dann mache ich einen anderen Prozess, wo ich auf andere Weise vorgehe.

Später werden wir sagen, teilweise vielleicht Isotherme-Expansionen, teilweise adiabatische Expansionen oder Kompressionen und solche Geschichten.

Das heißt, ich habe viele Möglichkeiten, viele Prozesse von hier nach dort zu kommen.

Und die Überhauptung vom ersten Hauptsatz ist nun, dass, wenn ich für jeden dieser Prozesse aufintegriere, all die kleinen Energieänderungen,

ich immer auf die selbe Gesamtenergieänderung stoße.

Egal, welche Kurve ich genommen habe in Bezug auf die thermodynamischen Parameter.