De Thermodynamik (vun’t ooltgreeksch θερμός thermós „warm“ un δύναμις dýnamis „Kraft“)Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch. München/Wien 1965., de mitünner ok as Warmslehr betekent warrt, is en Deelrebeet vun de klassischen Physik. Se befaat sik mit de Mööglichkeit, Arbeit in’n physikaalschen Sinn to maken dör dat Ümverdeelen vun Energie twüschen ehr ünnerscheedlichen Formen.
Inföhren duum|hochkant=1.2|Tyypisch thermodynaamschen Vörgang an’t Bispeel vun en Motor, de mit Damp bedreven warrt (root = bannig hitt, geel = weniger hitt, blau = Endtemperatur vun’t Medium) De Grundlaag vun de Thermodynamik billt de veer Hööftsätz. Se stellt Grötten as Energie, Warms, Arbeit, Druck un Volumen in en Tosamenhang. Dordör kann een wat doröver seggen, wovun Ännern an en System mööglich sünd – to’n Bispeel wovun cheemsche Reakschonen aflopen künnt – un verlööft Angaven över de Druck- un Temperaturbedingen, de dorför nödig sünd. Wat se aver nich angifft sünd Informatschonen doröver, wo gau disse Vörgäng aflopen doot oder wat mikroskoopsch dorbi in’n enkelten passeert. De Grundlagen vun de Thermodynamik sünd inst ut dat Studium vun de Volumen-, Druck- un Temperaturproportschonen bi Dampmaschienen afleidt worrn.
De Grötten Druck, Temperatur, Volumen, Konzentratschoon oder ok de cheemsche Tosamensetten beschrievt den Tostand vun en System. Dorüm warrt se ok Tostandsgrötten nöömt. Se sünd mit’eneen dör en Tostandsglieken verknütt as to’n Bispeel över de Gasgesetten för ideale oder reale Gasen. Wenn een de thermodynaamsche Tostandsglieken kennt, kann een ut eenige Tostandsgrötten (t. B. Druck un Volumen) annere Tostandsgrötten (t. B. Temperatur) utreken.
En cheemschen Stoff gifft dat in verschedene Phasen: fast, fletig oder gasförmig. Ok dat Phaasgliekgewicht kann över de Clausius-Clapeyron-Glieken mit de Thermodynamik utrekent warrn. Dorbi warrt twüschen apene un slatene Systemen ünnerscheedt. Bi’n apen System warrt tosätzlich de Ümgeven mit beacht (Warmsstrahlen, Materieuttuusch). Eenige Bereken beteht sik ok op en afslaten System, bi dat keen Energie- oder Materieuttuusch mit de Ümgeven stattfinnen kann. Dorbi blifft na den Satz vun’t Energiewohren de Summ vun all Energieformen (t. B. Warmsenergie, mechaansche Arbeit, cheemsche Energie, elektrische Energie) kunstant.
Mit de Thermodsynamik künnt ok Druck-, Temperatur- oder Volumenännern as ok Energie, de free warrt, utrekent warrn tosamen mit de Bereken vun de andeeligten Komponenten. Mitünner warrt dorbi dat Opstellen vun cheemsch Gliekgewichten bruukt, as to’n Bispeel bi’t Bestimmen vun Tosamensetten vun Mischen, vun osmootsche Drück, vun’n Dampdruck usw. Ok de Nernst-Glieken, mit de elektromotoorsche Kräft bi de Elektrolyys oder bi en Brennstoffzell utrekent warrn künnt, hett ehr Grundlaag in thermodynaamsche Beschrieven. So hett de Thermodynamik ok grote Bedüden bi’t Verstahn un Planen vun Vörgäng in Chemieanlagen, Warmskraftmaschienen un in de Heizungs- un Klimatechnik.
Ünnerscheedt warrt dorbi twüschen intensive Tostandsgrötten (t. B. Temperatur T, Druck p oder cheemsch Potential μ) un extensive Tostandsgrötten (t. B. Binnere Energie U, Entropie S, Volumen V oder Deelkentall N). De Arbeit W un de Warms Q gellt nich as Tostandsgrötten, vun wegen dat se nich vun’n Tostand vun en thermodynaamsch System to en vörgeven Tietpunkt afhangt, man vun de helen Historie.
Dör de statistische Mechanik na James Clerk Maxwell un Ludwig Boltzmann künnt vele Aspekten vun de Thermodynamik mit Help vun mikroskoopsche Theorien bestätigt warrn. In jemehr Samtdorstellen hett se aver weiterhen en uttekenten Status vun en egenstännige physikaalschen Theorie. Ehr Anwennen is aver op egente Systemen beschränkt, neemlich welke, de sik ut noog Enkeltsystem tosamensett, wat tomeist Deelken sünd.
Historie Dat weer de franzöösche Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot, de 1824 de Warmsmengde vun en Dampmaschien ünnersöcht hett. Dorbi hett he faststellt, dat hitten Waterdamp en küller’t Waterreservoir opwarmt un dorbi mechaansche Arbeit leist. Carnot weer vermoodt, dat bi dissen Vörgang keen Warms verloren geiht. He hett de Vörgäng in de Dampmaschien as en Kreisprozess beschreven, de in latere Johren vun Benoît Pierre Émile Clapeyron in mathemaatsche Form bröcht worrn is (Carnotsch Kreisprozess). Handbuch Der Experimentellen Chemie Sekundarbereich II, Band 7: Chemische Energetik, S. 1, Aulis Verlag Deubner & Co. KG Köln
In’t Johr 1841 hett de düütsche Dokter Julius Robert Mayer de Thees opstellt, dat Energie in en slaten System en kunstante Grött wesen müss. Energie kann nicht verloren gahn, se kann blots vun een in en annere Form ümwannelt warrn. Disse Ümstand ist vundaag ok as Satz vun’t Energiewohren bekannt. Mayer hett Bereken anstellt to’t Ümwanneln vun Warms in mechaansche Energie. He geev an, woveel Energie bruukt warrt, üm 1 Gramm Water üm 1 C warmer to maken un hett utrekent dat disse Energiemengde jüst so veel mechaansche Energie is, üm 1 Gramm Materie 367 Meter hooch to böhren (in Wohrheit sünd dat 426 Meter). Disse Bereken weer de Grundlaag för den Eersten Hööftsatz vun de Thermodynamik. Hans Joachim Störig: Kleine Weltgeschichte der Wissenschaften 2, Fischer Taschenbuch Verlag, Juni 1982, S. 91, 1280 – ISBN – 3 – 26399 – 9 James Prescott Joule hett 1844 dat mechaansche Warmsequivalent noch nauer berekent.
De düütsch-Swiezer Chemiker Hermann Heinrich Hess hett 1840 en Afhanneln ünner den Titel „Thermochemische Untersuchungen “publizeert, de op den Satz vun’t Energiewohren bi Molekülen oder Atomen vun wegen de cheemschen Reakschoonswarms baseert.
Wiel Carnot noch glöven de, dat de Warmsmengde bi en Dampmaschien vullstännig wohrt blifft, hett Mayer dat Vermögen vun’t Ümwanneln vun de Energieformen in’nanner annahmen. De düütsche Physiker Rudolf Clausius hett de Ideen vun de beiden 1854 mitenanner verknütt. He hett wiest, dat bi’t Bedrieven vun en Dampmaschien jümmer Warms vun en warmer’t Reservoir na en küller’t ströömt un de Grundthees vun Carnot richtig weer. Man, de Warmsmengde blifft nicht kunstant, as Carnot dat annahmen hett, man se warrt to’n Deel in mechaansche Energie ümwannelt. Clausius stell fast, dat de Warmsenergie vun en Dampmaschien jümmer blots to’n Deel in mechaansche Energie ümwannelt warrn kann. De annere Deel warrt an de Ümwelt afgeven. De Wirkungsgrad vun en Maschien seggt, woans de Proportschoon vun’t Ümwanneln vun mechaansche Energie in Warms is. De Kennis vun Clausius hett den Tweeten Hööftsatz vun de Thermodynamik billt: „Dat gifft keen Maschien, de perioodschen arbeit, de nix anners deit, as Warms in mechaansche Arbeit ümtowanneln.“ Gerd Wedler: Lehrbuch der Physikalischen Chemie, Verlag Weinheim, 1982, S. 59
Warms, de nicht för de mechaansche Arbeit nütt warrn kann, warrt na buten afegven. Disse Warmsmengde, de nicht bruukt warrn kann, hett Clausius mit de tohören Temperatur to en ne’e Funkschoon verknütt, neemlich de Entropie. All natürlichen Vörgäng to’n Ümwanneln vun Energie hebbt en Entropieandeel, de nich torüchwunnen warnn kann, d. h. bi den de nich bruukte Warmsenergie an de Ümgeven verloren geiht. Entropie bedüüt en „na binnen kehrte, also nich mehr wannelbore, bruukbore Energie“. Hans Joachim Störig: Kleine Weltgeschichte der Wissenschaften 2, Fischer Taschenbuch Verlag, Juni 1982, S. 93, 1280 – ISBN – 3 – 26399 – 9 Later hett Ludwig Boltzmann goot vörstellbor de Entropie as en Maat för de Unorden vun de Bewegen in en System opfaat. Lorenz: Abriß der geschichtlichen Entwickelung der Wärmelehre, Zeitschrift für Kälteindustrie, 1904, Heft 8, S. 144 Blots in en afslaten System un bi reversible (d. h. torüchwannelbore) Tostandsännern blifft de Entropiedifferenz twüschen den Tostand to Anfang un an’t Enn gliek Null.
In’t Johr 1862 hett de franzöösche Chemiker Marcelin Berthelot de Warms, de sik bi en cheemsche Reakschoon entwickelt, as Driefkraft för de Reakschoon annahmen. Hermann Helmholtz hett de elektrische Energie vun Batterien mit de cheemschen Energie un mit de Warmsenergie verknütt. In sien Afhanneln „Ueber die Erhaltung der Kraft“ hett he unafhangig vun Mayer den Satz vun’t Energiewohren entwickelt.
In de lateren Johren hett sik Helmholtz mit energeetsche Fragen bi cheemsche Reakschonen befaat. He geev Berthelot recht, dat bi vele cheemsche Reakschonen Warms freesett warrt, man dat gifft ok Reakschonen, de Küll tüügt. Helmholtz hett in sien Publikatschoon Die Thermodynamik chemischer Vorgänge H. von Helmholtz: Die Thermodynamik chemischer Vorgänge, 1882, Wissenschaftliche Abhandlungen von Hermann Helmholtz, Band 2 . J. A. Barth, Leipzig 1882, S. 958 – 978 de Energie bi Stoffümwannelniondeelt in en fre’e un en bunnen Energie. Handbuch Der Experimentellen Chemie Sekundarbereich II, Band 7: Chemische Energetik, S. 11, Aulis Verlag Deubner & Co. KG Köln De binnere Energie un de Fre’e Energie hett he mit dat Produkt ut Entropie un Temperatur verknütt. Na Helmholtz sünd Stoffümwanneln blots mööglich, wenn de Fre’e Energie weniger warrt. Ok de US-amerikaansche Physikochemiker Josiah Willard Gibbs kemm meist to glieken Tiet twüschen 1875 un 1878 op den glieken Sluss.
De Betog twüschen Enthalpiedifferenz minus dat Produkt ut Entropiedifferenz un Temperatur warrt as Differenz vun de fre’en Enthalpie betekent. To Ehren vun de beiden Wetenschopplers warrt disse Betog ok Gibbs-Helmholtz-Glieken nöömt. Dormit kann de Chemiker wat över’t stoffliche Ümsetten vun Molekülen seggen un de nödigen Temperaturen un Kunzentratschonen vun cheemsche Ümsetten utreken.
Blangen de klassischen Thermodynamik is de kineetsche Gastheorie entwickelt worrn. Gasen bestaht dorna ut Deelken, neemlich Atomen oder Molekülen, de sik twüschen de relativ roren Tohopenstöten free in’n leddigen ruum bewegt. Warrt de Temperatur höger maakt, bewegt sik de Deelken gauer un stööt fakener un duller tohopen, wodör se ok en grötteren Druck op de Fattwand utöven doot. Disse Theorie weer to’n Bispeel vertreden vun August Krönig (1822-1879), Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell un Ludwig Boltzmann. Handbuch Der Experimentellen Chemie Sekundarbereich II, Band 7: Chemische Energetik, S. 9, Aulis Verlag Deubner & Co. KG Köln Maxwell un Boltzmann hebbt de Wohrschienlichkeitsreken bruukt, üm thermodynaamsche Grötten op molekulare Grundlaag to beschrieben.
In’t Johr 1999 is vun de Physikers Elliott Lieb un Jakob Yngvason en axiomaatsche Systematik vörstellt worrn, bi de de Definitschoon vun de Entropie op dat Kunzept vun de adiabaatschen Reckborkeit baseert un op en streng mathemaatsche Grundlaag in Form vun 15 AXiomen steiht. De Temperatur ist hier blots noch en ut de Entropie afleidte Grött. Dat Kunzept vun de adiabaatschen Reckborkeit baseert op en axiomaatsche Begrünnen vun Constantin Carathéodory vun 1909. Man, as disse Theorie keen Utwirken op de Resultaten hett, is se in de Praxis nie bruukt worrn, un warrt ok in de Lehr blots utnahmswies behannelt.
De Hööftsätz vun de Thermodynamik 0. Hööftsatz: Wenn twee Systemen elk mit en drütt System in’t thermodynaamsch Gliekgewicht staht, staht se ok ünner’nanner in’t Gliekgewicht.
1. Hööftsatz: Energie kann nich tüügt un ok nich tonichten maakt, man blots vun een Form in en annere ümwannelt warrn.
2. Hööftsatz: Thermische Energie kann nich in jeed Maat in annere Energieorden ümwannelt warrn.
3. Hööftsatz: De afsluute Nullpunkt vun de Temperatur kann nich tüügt warrn.
De „nullte“ Hööftsatz duum|hochkant=2|Anwennen vun’n nullten Hööftsatz bi’t Meten vun de Temperatur Wenn sik en System A mit en System B in’t thermisch Gliekgewicht befinnt, un System B ok in’t Gliekgewicht is mit en System C, denn sünd ok de Systemen A un C ünnerenanner in’t Gliekgewicht.