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In den Hauptsätzen der Thermodynamik sind grundlegende Zusammenhänge aus diesem Teilbereich der Physik erfasst. Der 1. Hauptsatz enthält den Zusammenhang zwischen der Änderung der inneren Energie, der Wärme und der Arbeit. Er ist Grundlage für die Wirkungsweise von Wärmekraftmaschinen. Die Vorgänge bei einer solchen Maschine lassen sich als Kreisprozess beschreiben. Der zweite Hauptsatz beinhaltet eine Aussage über in der Natur mögliche Prozesse.

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Multiple-Choice-Test zum Thema "Physik - Hauptsätze der Thermodynamik".

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WISSENSTEST

Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik kann eine isotherme Zustandsänderung, also eine Zustandsänderung bei konstanter Temperatur, durch folgende Prozesse realisiert werden:

• Dem Gas wird eine Wärme Q zugeführt, es dehnt sich aus und verrichtet Volumenarbeit (isotherme Expansion).
• An dem Gas wird die äußere Arbeit W verrichtet, das Volumen wird kleiner und die dabei entstehende Wärme wird abgegeben (isotherme Kompression).

Die bei einer isothermen Expansion vom Gas verrichtete Arbeit (Volumenarbeit) entspricht der Fläche unterhalb der Isobare im p-V- Diagramm. Sie kann durch Auszählen der Fläche oder durch Integration berechnet werden. Bei Verwendung des Modells ideales Gas beträgt die Volumenarbeit bei isothermer Expansion:

$W=-N\cdot k\cdot T\cdot \ln \frac{V_2}{V_1}$

Diese Arbeit ist gleich der dem Gas zugeführten Wärme, die dieses benötigt, um seine innere Energie bei der Expansion konstant zu halten.

Eine adiabatische Zustandsänderung ist dadurch gekennzeichnet, das bei dem Prozess keine Wärme mit der Umgebung (Q = 0) ausgetauscht wird. Dies kann bei allen schnell ablaufenden thermodynamischen Vorgängen angenommen werden. Charakteristisch für adiabatische Vorgänge ist, dass sich alle drei Zustandsgrößen Temperatur, Druck und Volumen gleichzeitig ändern. Die Adiabate im p-V-Diagramm verläuft daher steiler als Isothermen und schneidet diese.
Zu unterscheiden ist zwischen einer adiabatischen Expansion und einer adiabatischen Kompression. Die Energiebilanzen ergeben sich aus dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik. Für das Modell ideales Gas kann die Adiabate p = p(V) berechnet werden. Es ergeben sich die poissonschen Gesetze.

Der Carnotsche Kreisprozess, bestehend aus je zwei isothermen und adiabatischen Zustandsänderungen, repräsentiert die „Takte“ einer ideal arbeitenden Wärmekraftmaschine. Dabei wird das Arbeitsmittel als ideales Gas betrachtet und die Prozessführung als reversible angenommen.

1. Takt: Durch Aufnahme von Wärme erfolgt eine isotherme Expansion. Es wird die Arbeit verrichtet.
2. Takt: Bei einer adiabatischen Expansion verringert sich die Temperatur. Hierbei wird von dem Gas arbeitet verrichtet, seine innere Energie verringert sich.
3. Takt: Für die isotherme Kompression muss Arbeit zugeführt werden. Die dabei entstehende Wärme wird an die Umgebung abgegeben.
4. Takt: Durch eine adiabatische Kompression wird die Temperatur erhöht und damit der Ausgangszustand wieder erreicht.

Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist die abgegebene mechanische Arbeit gleich der Änderung der Wärme in dem System. Die von den Zustandskurven eingeschlossene Fläche ist ein Maß für die abgegebene Arbeit.