Table of Contents

Teil I: Grundlagen

1 Eine kurze Einführung in die Thermodynamik 27

Definition der Thermodynamik 27

Eine kurze Geschichte der Thermodynamik 28

Makroskopische Thermodynamik und statistische Thermodynamik 30

Die Rolle der Thermodynamik in der Physik und den anderen Naturwissenschaften 31

2 Ein klein wenig Mathematik 33

Absolute Größen, Differenzen und Differentiale 33

Ableitungen und partielle Ableitungen 34

VomDifferential zur Differenz: Integralrechnung 39

Teil II: Die wichtigsten Begriffe der Thermodynamik

3 Alles über Wärmephänomene 43

Wärme führt zur Ausdehnung von Körpern 43

Wärme kann gespeichert werden 46

Wärme kann transportiert werden 51

4 Den Zustand eines System beschreiben: Zustandsgrößen 59

Sie bestimmen den Zustand eines Systems: Die Zustandsgrößen 59

Der Druck wird durch die Bewegung von Teilchen verursacht 60

Auch die Temperatur wird durch Bewegung verursacht 65

Man kann sie mikroskopisch oder makroskopisch angeben: Die Stoffmenge 70

Jedes System enthält Energie: Die innere Energie 72

Eine schwer zu fassende Größe: Die Entropie 73

5 Ab jetzt wird es dynamisch: Zustandsänderungen 77

Der Behälter besitzt einen beweglichen Deckel: Isobare Änderungen 78

Der Behälter besitzt einen festen Deckel: Isochore Änderungen 80

In einem Wärmebad: Isotherme Änderungen 81

Das System ist isoliert: Adiabatische Änderungen 82

Von großer technischer Bedeutung: Isentrope und polytrope Änderungen 86

6 Abstrakt, aber hilfreich: Thermodynamische Potentiale 91

Definition des Begriffs des thermodynamischen Potentials 91

Die wichtigsten thermodynamischen Potentiale 94

Ende der theoretischen Betrachtung: Anwendungen und Beispiele 100

Teil III: Das wichtigste über Gase

7 Die Beschreibung von Gasen: Zustandsgleichungen 107

Es ist zwar eine Näherung, aber eine gute: Das ideale Gasgesetz 108

In der Realität gibt es Abweichungen: Die van-der-Waals-Gleichung 115

Jenseits des Kritischen Punkts ist alles anders 118

8 Freiheitsgrade und Bewegungen: Energetische Betrachtungen 123

Es gibt viele Möglichkeiten, sich zu bewegen: Freiheitsgrade 123

Auch bei der inneren Energie spielen die Freiheitsgrade eine Rolle 128

Nicht alle Teilchen sind gleich schnell: Geschwindigkeitsverteilungen 130

Teil IV: Die Hauptsätze der Thermodynamik

9 Es geht ums Gleichgewicht: Der nullte Hauptsatz 135

Thema des nullten Hauptsatzes: Das thermische Gleichgewicht 135

18 Inhalt

Formulierungen des nullten Hauptsatzes 136

Bedeutung und Anwendungen 137

Es geht darüber hinaus: Das thermodynamische Gleichgewicht 138

10 Er beschäftigt sich mit der Energie: Der erste Hauptsatz 141

Thema und Formulierungen 141

Vergleich der Formulierungen 142

Bedeutung und Anwendungen 144

11 Die Entropie kommt ins Spiel: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 151

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 151

Vergleich der Formulierungen 152

Die Entropie zum Zweiten 154

Die Entropie und die Ordnung 157

Ein kurzer Ausflug in die Welt der Perpetua mobilia 158

12 Der absolute Nullpunkt ist unerreichbar: Der dritte Hauptsatz 161

Zwei Themen: Der Nullpunkt und die Entropie 161

Kurz und knapp: Die Formulierungen 161

Vergleich der Formulierungen 162

Der Nullpunkt und die Entropie 163

Teil V: Thermodynamik in der Praxis

13 Besser geht es nicht: Ideale thermodynamische Prozesse 167

Alles über Prozesse 168

Der theoretisch beste Prozess: Der Carnotprozess 171

Die ideale Gasturbine: Der Joule-Kreisprozess 176

Das ideale Dampfkraftwerk: Der Clausius–Rankine-Prozess 179

Nicht die Arbeit, sondern die Temperatur ist das Ziel: Wärmepumpe und Kältemaschine 181

Inhalt 19

14 Reale Prozesse I: Wärmekraftmaschinen 189

Wärmekraftmaschinen: Eine Übersicht 189

Er bewegt uns seit mehr als 100 Jahren: Der Ottomotor 190

Eine solide Alternative: Der Dieselmotor 195

Pendeln zwischen heiß und kalt: Der Stirlingmotor 199

Ein kurzer Blick auf die Dampfmaschine 203

Vergleich der Wärmekraftmaschinen 205

15 Eher feucht: Die Thermodynamik von Dämpfen und Gasgemischen 209

Dampf ist gasförmiges Wasser 209

Es frischt auf: Die Luftfeuchtigkeit 213

Whiskey on the Rocks: Zweistoffgemische 217

Teil VI: Statistische Thermodynamik

16 Grundlagen der statistischen Thermodynamik 225

Zur Problemstellung 226

Kopf oder Zahl: Zufallsexperimente 227

Je mehr Möglichkeiten es gibt, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit 228

Erwartungswert und Standardabweichung 231

Die Krönung der Statistik: Wahrscheinlichkeitsverteilungen 233

17 Eine statistische Betrachtung der Thermodynamik 239

Mikrozustände und Makrozustände 239

Unvorstellbar viele Möglichkeiten: Der Phasenraum 242

Glossar 251

Lösungen 261

Index 281