Thermodynamik

Was haben adiabatische Prozesse mit den thermischen Aufwinden beim Segelfliegen zu tun? Wie hilft die Theorie der instationären Wärmeleitung bei der Zubereitung eines knusprigen Sonntagsbratens? Und wie lässt sich mit dem Begriff der Entropie die Funktionsweise eines Solarkraftwerks in der kalifornischen Wüste analysieren?

Die Thermodynamik wird in diesem Buch im ständigen Bezug auf praktische Anwendungen aus Alltag und Technik vermittelt. Das Verständnis für thermodynamische Zusammenhänge wird dadurch von Anfang an unterstützt denn am besten lernt man dadurch, dass man das Gelernte in authentischen Situationen anwendet. Der hohe fachliche Anspruch und die begriffliche Klarheit der Darstellung bleiben dabei jederzeit gewahrt.

Aus dem Inhalt:

• Biologie und Chemie des Kochens
• Wasser und Dampf Kochen im Schnellkochtopf
• Phasenübergänge in der Natur Dampf, Tau und Nebel
• Das ideale Gas Cornelis Drebbels Wunderapparatur
• Fundamentale Konzepte: Kinetische Gastheorie
• Der erste Hauptsatz Thermodynamik des Backofens
• Adiabatische Prozesse Luftdruck, Thermik und Wolken
• Thermodynamische Kreisprozesse Heizen mitWärmepumpen
• Fundamentale Konzepte: Die Entropie als Zustandsgröße
• Fundamentale Konzepte: Der zweite Hauptsatz
• Fundamentale Konzepte: Mikroskopische Deutung der Entropie
• Kraftwerksprozesse Strom von der Sonne
• Mechanismen der Wärmeübertragung Windchill
• Instationäre Wärmeleitung Das perfekte Frühstücksei

Rainer Müller, TU Braunschweig.

Vorwort 7
1 Biologie und Chemie des Kochens 13
1.1 Was beim Garen geschieht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2 Gemüse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3 Fleisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 Spaghetti kochen Erhitzen von Stärke . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5 Garverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2 Wasser und Dampf Kochen im Schnellkochtopf 25
2.1 Die Erfindung des Schnellkochtopfs . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Zustände thermodynamischer Systeme . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Phasenänderungen beim Erhitzen vonWasser . . . . . . . . . . 33
2.4 v-T-Diagramm und Verdampfungsenthalpie . . . . . . . . . . . 36
2.5 Sieden bei höherem Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6 Kochen im Schnellkochtopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3 Phasenübergänge in der Natur Dampf, Tau und Nebel 59
3.1 Geysire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2 Gasgemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3 Verdampfen und Verdunsten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4 Kochen im Gebirge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.5 Luftfeuchtigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.6 Taubildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.7 Nebel und Wolken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4 Das ideale Gas Cornelis DrebbelsWunderapparatur 91
4.1 Der Apparat von Cornelis Drebbel . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2 Die Zustandsgleichung des idealen Gases . . . . . . . . . . . . 96
4.3 Drebbels Apparat als Barometer und Thermometer . . . . . . . 100
5 Fundamentale Konzepte: Kinetische Gastheorie 109
5.1 Die Begründung der Thermodynamik aus der klassischen Mechanik
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.2 Mikroskopisches Modell des idealen Gases . . . . . . . . . . . . 111
5.3 Statistische Beschreibung des Drucks . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4 Zustandsgleichung des idealen Gases . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5 Maxwell-Boltzmann-Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.6 Luft, statistisch betrachtet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1285.7 Brownsche Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.8 Reale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6 Der erste Hauptsatz Thermodynamik des Backofens 141
6.1 Der Sonntagsbraten als thermodynamisches Problem . . . . . . 142
6.2 Systemgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.3 Energieformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.4 Innere Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.5 Gesamtenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.6 Wärme und Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.7 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . 160
6.8 SpezifischeWärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.9 SpezifischeWärmekapazität von Gasen . . . . . . . . . . . . . . 170
6.10 cV , cp und die Mathematik des ersten Hauptsatzes . . . . . . . 170
6.11 Wärmekapazitäten und der Gleichverteilungssatz . . . . . . . . 175
6.12 Modelle für Festkörper und Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . 180
6.13 Isobare Prozesse und die Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.14 Erster Hauptsatz für stationäre Fließprozesse . . . . . . . . . . 185
7 Adiabatische Prozesse Luftdruck, Thermik undWolken 191
7.1 Die barometrische Höhenformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.2 Temperaturmessungen mit Radiosonden . . . . . . . . . . . . . 198
7.3 Thermik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.4 Der adiabatisch-reversible Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.5 Der Aufstieg eines Luftpaketes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.6 Thermik und Temperaturkurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.7 Feuchtadiabatischer Aufstieg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.8 Wolkenbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.9 Höhenabhängigkeit der Taupunkttemperatur . . . . . . . . . . 219
8 Thermodynamische Kreisprozesse Heizen mitWärmepumpen 221
8.1 Klimawandel und CO2-Emissionen . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.2 Mit kalter Luft heizen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
8.3 Die Carnot-Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.4 Leistungszahl vonWärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.5 Die Carnot-Wärmekraftmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.6 Wärmepumpen zur Wohnungsheizung . . . . . . . . . . . . . . 240
8.7 Leistungszahlen in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8.8 Primärenergiebilanz vonWärmepumpen . . . . . . . . . . . . . 243
8.9 Der Kältemittelkreislauf in einerWärmepumpe . . . . . . . . . 244
8.10 Kältemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.11 Quantitative Analyse des Kältemittelkreislaufs . . . . . . . . . . 249
9 Fundamentale Konzepte: Die Entropie als Zustandsgröße 253
9.1 Die Qualität der Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2549.2 Die Entropie der inkompressiblen Substanz . . . . . . . . . . . 257
9.3 Adiabatische Erreichbarkeit als Ordnungsrelation . . . . . . . . 260
9.4 Die Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.5 Die Entropie des idealen Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.6 Unterirdische Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
A Tabellen 279