Table of Contents
Einleitung 21
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
