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Kapitel 1
Grundbegriffe der Thermodynamik
1.1 Thermodynamisches Gleichgewicht
Gegenstand: Thermodynamisches System
Das zu untersuchende physikalische System wird im allgemeinen von seiner Umgebung als
abgegrenzt betrachtet. Diese Vereinfachung setzt voraus, dass die Wechselwirkung (WW) im
Innern stärker ist, als die mit der Umgebung. Je nach Kontakt mit der Umgebung kann man
das System weiter charakterisieren, siehe Abb. 1.1. In thermodynamischen Systemen ist die
Temperatur eine Zustandsgröße und wir nennen diese Disziplin der Physik Thermodynamik.
Beispiele für thermodynamische Systeme sind Festkörper, Flüssigkeiten, Gase und Plasmen,
technische Anwendungen wie Thermobehälter (Kaffeekanne), Kühlkannen (Stickstoff, Helium),
Wärmepumpen, Verbrennungsmotoren, chemische Synthesereaktoren (z.B. Ammoniaksynthese),
Verflüssigungvon Gasen (Linde-Verfahren) bis hinzu äußerstkomplexen Systemen
wie die Erdatmosphäre (Klimamodelle), Planeten wie Jupiter und Saturn, die Sonne (Astrophysik)
oder das gesamte Universum (Urknall, 3 K–Hintergrundstrahlung).
Das Ziel der Thermodynamik ist die makroskopische Beschreibung von Vielteilchensystemen
mit N ∼ O(10 23 ). Als Teilchen des Systems werden Atome und Moleküle (Festkörper,
Flüssigkeiten, Gase), Elektronen und Ionen (Plasmen) bzw. Elektronen und Löcher (Halbleiter),
Nukleonen bzw. Quarks und Gluonen (Kernreaktionen, Neutronensterne, Urknall),
Photonen (Strahlungsfeld), Phononen (Festkörpergitter), Spins (Magnetismus) usw. betrachtet,
d.h. sie sind nicht unbedingt “elementar”. Die Berücksichtigung einer möglichen inneren
Struktur der Teilchen ist von der Energie und damit von der betrachteten Temperatur
abhängig. So basieren z.B. chemische Reaktionen auf Prozessen in der Atomhülle (∼ eV).
Bei höheren Temperaturen werden Atome ionisiert (Plasma) und wir müssen eine Beschreibung
auf der Basis von Elektronen und Ionen vornehmen. Bei Energien oder Temperaturen
im Bereich von ∼ MeV wird die innere Struktur des Atomkerns relevant (Protonen, Neutronen).
Bei noch höheren Energien ∼ GeV muss die Behandlung auf der Basis der elementaren
Bausteine Quarks und Gluonen erfolgen.
Das thermodynamische System wird durch messbare Größen charakterisiert. Wir nennen sie
Zustandsgrößen, wie z.B. Volumen V, Druck p und Temperatur T. Auch die Magnetisierung
⃗M und die Polarisation ⃗ P eines Systems sind in diesem Sinne Zustandsgrößen. Wichtige
Aspekte der Thermodynamik sind die Umwandlung verschiedener Energieformen ineinander
(innere Energie) und die Bewertung der Energie durch die Entropie. Ein anderes Problem
ist eine einheitliche Beschreibung der Vielfalt von Phasenübergängen, z.B. zwischen fester,
flüssiger und gasförmiger Phase, zwischen verschiedenen Festkörperstrukturen (z.B. fcc-bcc,
fcc-hcp),zwischenmöglichenmagnetischen Phasen(z.B. Paramagnet-Ferromagnet) usw.Eine
mikroskopische Beschreibung von Vielteilchensystemen wird im Rahmen der Statistischen
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