Wärmelehre - gilligan-online

Wärmelehre
In der Mechanik wird bei der Beschreibung physikalischer Vorgänge von Prozessen
abgesehen, in denen die Energieform Wärme auftritt. Wärme wird als eine nichtmechanische
Energieform verstanden.
Der Satz von der Erhaltung der Energie in der Fassung der Mechanik schloss einschränkend
die Umwandlung mechanischer Energieformen in nichtmechanische
Energieformen, also z. B. bei Reibungsvorgängen in Wärme, aus. Die Besonderheiten
physikalischer Erscheinungen, die mit den Begriffen Wärme und Innere Energie
verknüpft sind, führen zu einem der Hauptgebiete der Physik, das unter der Überschrift
Wärmelehre oder Thermodynamik zusammengefasst wird.
1 Aufbau der Materie
Die Bausteine der Materie sind Atome, Moleküle oder Ionen und Elektronen, die man
vereinfachend und zusammenfassend Teilchen nennt. Diese Teilchen sind niemals
in Ruhe: Sie führen ständig statistisch ungeordnete Bewegungen aus. Temperatur ist
ein Maß für die Heftigkeit dieser thermischen Bewegung. Der Energieinhalt eines
Stoffes auf Grund dieser Bewegungen und der Wechselwirkungen zwischen den
Teilchen wird als Innere Energie bezeichnet. Der Begriff Wärme wird für eine Energieform
verwendet, die einem Körper bzw. System zugeführt oder von ihm abgegeben
wird.
Die internationale (und in der Bundesrepublik gesetzliche) Einheit der Wärme Q ist
die Einheit aller Energiearten
Q = 1Joule = 1J = 1Nm = 1 V A s 1 W
[ ] s
int =
Der makroskopische Zustand der Materie lässt sich durch die unterschiedliche Verschiebbarkeit
der Bausteine gegeneinander definieren. Dies erklärt sich durch die
Anordnung der Bausteine und der Art ihrer Wechselwirkung.
1.1 Phasen
Einfache Materie tritt makroskopisch in drei verschiedenen Erscheinungsformen auf:
Fest, flüssig und gasförmig. Diese Erscheinungsformen heißen Aggregatzustände
oder allgemein Phasen. (Als vierten Aggregatzustand bezeichnet man den Plasmazustand.
Ein Plasma ist ein Gemisch aus freien Elektronen, positiven Ionen und
Neutralteilchen eines Gases.)
Der feste Zustand kann in amorpher oder kristalliner Form auftreten. In einem Kristallgitter
sind die Teilchen an eine Gleichgewichtslage gebunden. Die Teilchen bleiben
ihrem (mathematischen) Gitterpunkt zugeordnet, führen aber um ihre Gleichgewichtslage
ungeordnete Schwingungen aus. Veranschaulicht werden die Kräfte zwischen
einem Teilchen und seinen Nachbarteilchen durch Federn. Die Bewegungen
der Gitterbausteine nennt man Gitterschwingungen (Phononen).
Die Gitterstruktur drückt das Ordnungsprinzip des festen, kristallinen Zustandes aus.
Beispiele bringt Abb. 1-01.
Feste Körper sind formbeständig und haben eine Oberfläche. Die Dichten ρ fester
Stoffe liegen i. Allg. im Bereich ρ ≈ 10 K10
kg m .
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’Aufbau der Materie’