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Die innere Energie gibt an, wie groß die in einem abgeschlossenen System (Körper) gespeicherte Energie ist.
Formelzeichen: U
Einheit: ein Joule (1 J)
Sie ist die Gesamtenergie aller Teilchen (Atome, Moleküle) eines Körpers und setzt sich damit aus der Summe der Bewegungsenergien bei Translation, Rotation und Schwingungen, der potenziellen Energien und der Bindungsenergien zusammen.
Bei Gasen wird die innere Energie im Wesentlichen von den Bewegungsenergien der Teilchen bestimmt.

Gegenstand der kinetischen Gastheorie ist die Betrachtung thermodynamischer Prozesse auf der Grundlage von Teilchengrößen, wie der Teilchenanzahl, ihrer räumlichen Verteilung und ihrer Geschwindigkeit. Von besonderer Bedeutung ist die Energieverteilung, die eng mit der Geschwindigkeitsverteilung zusammenhängt. Betrachtet man verschiedene Aggregatzustände und bezieht auch Moleküle in die Betrachtungen ein, so ist neben der kinetischen Energie auch die Rotationsenergie und die Schwingungsenergie mit zu beachten.

Der Begriff Entropie wurde 1865 durch den deutschen Physiker RUDOLF CLAUSIUS (1822-1888) in die Physik eingeführt. Sie ist eine Größe, mit deren Hilfe man die Irreversibilität eines Vorganges kennzeichnen kann. Von praktischer Bedeutung ist nicht der absolute Betrag der Entropie S, sondern ihre Änderung, die man folgendermaßen kennzeichnen kann:

$\begin{array}{l}\Delta S=k\cdot \ln W\text{oder}\Delta S=\frac{Q}{T}\\ k\text{BOLTZMANN-Konstante}\\ W\text{Wahrscheinlichkeit des Zustandes eines Systems}\\ Q\text{Wärme}\\ T\text{absolute Temperatur}\end{array}$

Gegenstand der kinetischen Gastheorie ist die Betrachtung thermodynamischer Prozesse auf der Grundlage von Teilchengrößen, wie der Teilchenanzahl, ihrer räumlichen Verteilung und ihrer Energie. Von besonderer Bedeutung ist die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen eines Gases, da die Geschwindigkeit eng mit der kinetischen Energie, dem Druck und auch mit der Temperatur verknüpft ist. Untersuchungen zeigen, dass zwischen der mittleren Geschwindigkeit, der wahrscheinlichsten Geschwindigkeit und der mittleren quadratischen Geschwindigkeit der Teilchen unterschieden werden muss.

Teilchengrößen wie die Teilchenanzahl, die Geschwindigkeit der Teilchen oder ihre kinetische Energie sind eng mit solchen Größen wie Volumen, Druck und Temperatur verbunden. Die Zusammenhänge lassen sich aus kinetisch-statistischer Sicht herleiten und führen zur sogenannten Grundgleichung der kinetischen Gastheorie, die man in unterschiedlicher Form angeben kann, beispielsweise folgendermaßen:

$\begin{array}{l}p\cdot V=\frac{2}{3}\cdot N\cdot {\overline{E}}_{\text{kin}}\\ p\cdot V=N\cdot k\cdot T\\ p\cdot V=\frac{1}{3}\cdot N\cdot m\cdot \overline{v^2}\end{array}$

Die Interpretation dieser Grundgleichung in ihren verschiedenen Formulierungen führt zu wichtigen Zusammenhängen zwischen Zustandsgrößen eines thermodynamischen Systems und Teilchengrößen.

Unter der Bedingung, dass keine Änderung des Aggregatzustandes erfolgt, gilt für die einem Körper zugeführte oder von ihm abgegebene Wärme:

$\begin{array}{l}Q=c\cdot m\cdot \Delta \vartheta \text{oder}Q=c\cdot m\cdot \Delta T\\ c\text{spezifische Wärmekapazität}\\ m\text{Masse des Körpers}\\ \Delta \vartheta ,\Delta T\text{Temperaturänderung des Körpers}\end{array}$

Die Stoffkonstante spezifische Wärmekapazität, insbesondere die von Wasser, hat erhebliche Bedeutung für Natur und Technik, da in Wasser eine erhebliche Wärme gespeichert und mit ihm transportiert werden kann.

Bei einer isobaren Zustandsänderung eines Gases bleibt der Druck konstant. Die Zustandskurve im p-V-Diagramm ist eine Parallele zur V-Achse. Ein solcher Prozess kann realisiert werden, wenn dem Gas eine Wärme Q zugeführt wird. Damit dabei der Druck konstant bleibt, muss von dem Gas gleichzeitig Volumenarbeit verrichtet werden. Die zugeführte Wärme Q erzeugt bei einer isobaren Zustandsänderung eine Änderung der inneren Energie und des Volumens. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ergibt sich die Bilanz:

$Q=\Delta U-W$

Bei Verwendung des Modells des idealen Gases erhöht die zugeführte Wärme Q die innere Energie U des Gases und verrichtet Volumenarbeit.

Bei einer isochoren Zustandsänderung eines Gases bleibt das Volumen konstant. Die Zustandskurve im p-V-Diagramm verläuft vertikal, parallel zur p-Achse. Ein solcher Prozess wird realisiert, wenn Gas in einem geschlossenen Behälter erwärmt wird. Die zugeführte Wärme führt zu einer Erhöhung der Temperatur und damit zu einer Änderung der inneren Energie U. Da das Volumen konstant bleibt, wird von dem Gas keine Arbeit verrichtet. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist damit die zugeführte Wärme gleich der Änderung der inneren Energie des Gases:

$Q=\Delta U$

Bei Verwendung des Modells ideales Gas erhöht die zugeführte Wärme die inneren Energie des Gases bei einem isochoren Prozess um:

$\begin{array}{l}\Delta U=\frac{3}{2}N\cdot k\cdot \Delta T\\ N\text{Anzahl der Teilchen}\\ k\text{BOLTZMANN-Konstante}\\ \Delta T\text{Temperaturdifferenz}\end{array}$

Daraus lässt sich die molare Wärmekapazität eines idealen Gases bei konstantem Volumen berechnen.

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.

Befindet sich ein Gas in einem abgeschlossenen Behälter, so übt es auf die Wände einen Druck aus. Aus kinetisch-statistischer Sicht kann man diesen Gasdruck als elastische Stöße einer Vielzahl von Teilchen deuten. Er ist umso größer, je größer die Teilchenanzahl in dem betreffenden Volumen und die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen ist. Aus der Grundgleichung der kinetischen Gastheorie folgt:

$p=\frac{2}{3}\cdot \frac{N}{V}\cdot {\overline{E}}_{\text{kin}}=\frac{1}{3}\cdot \frac{N}{V}\cdot m\cdot \overline{v^2}$

Als Schmelzen bezeichnet man den Übergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand, als Erstarren den umgekehrten Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand. Dabei gilt:

• Schmelztemperatur und Erstarrungstemperatur sind gleich groß. Sie hängen vom jeweiligen Stoff und vom Druck ab.
• Schmelzwärme und Erstarrungswärme sind für einen bestimmten Stoff ebenfalls gleich groß.