Energie und Entropie

Die Physik des Naturwissenschaftlers. Eine Einführung in die Thermodynamik

G. Falk, W. Ruppel (Autoren)

Buch | Softcover

XIV, 414 Seiten

2011 | 1. Softcover reprint of the original 1st ed. 1976
Springer Berlin (Verlag)
978-3-642-67900-1 (ISBN)

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Dieses Buch setzt die Reihe "Die Physik des Naturwissenschaftlers" nach dem Band "Mechanik-Relativität-Gravitation" mit einer Einführung in die Thermodynamik fort. Es gibt eine in sich geschlossene und unabhängig von dem Band "Mechanik-Relativität Gravitation" lesbare Darstellung der thermodynamischen Beschreibung physikalischer Vorgänge. Das Buch wendet sich in erster Linie an den angehenden Physiker und Physiko-Chemiker, aber auch an den Ingenieur und jeden Naturwissenschaftler, ob Lehrer oder Forscher, der Interesse hat am Aufbau und der Struktur des anwendungs fähigsten physikalischen Begriffssystems, das wir besitzen. Obwohl das Wort "Thermodynamik" so viel bedeutet wie "Wärmelehre", handelt es sich doch bei der Thermodynamik um mehr als nur um eine Theorie der Wärme. Die Thermodynainik beschränkt sich weder auf die Wärme, noch überhaupt auf spezielle Objekte oder Vorgänge in der Natur, wie die Mechanik auf die mechanischen, die Optik auf die optischen, die Elektrodynamik auf die elektromagnetischen. Sie handelt vielmehr von Regeln, die auf beliebige Objekte und Vorgänge zutreffen, sie ist ein allgemeines Verfahren zur Naturbeschreibung. Diese Allgemeinheit erklärt den Ruf der Thermodynamik als den des abstraktesten Gebietes der Physik, sie zeigt aber gleich zeitig am klarsten, wie die Physik überhaupt vorgeht, wie sich die "Wissenschaft von der Natur", die Physik, abhebt von der Natur selbst. In der thermodynamischen Be schreibung der Natur spielen Begriffe wie "physikalische Größe", "Zustand", "System", "Prozeß" die zentrale Rolle. Daß diese Begriffe die Grundlagen der Physik bilden, hat die Entwicklung der letzten hundert Jahre, beginnend mit der Beherrschung der Phäno mene der Wärme, gezeigt.

I Die Energie und ihre Bedeutung.-
1 Energieumsetzungen und ihre Einteilung in Formen.- Die Mengenartigkeit der Energie.- Die Formen, in denen Energie ausgetauscht wird.- Der Wirkungsgrad von Maschinen.- Energieströme.- Die räumliche Verteilung der strömenden Energie. Energiestromdichte.-
2 Die Energieumsetzungen auf der Erde.- Die von der Erdoberfläche aufgenommenen und abgegebenen Energieströme.- Die Energieströme der Zivilisation.- Die Energieversorgung aus fossilen Brennstoffen.- Exponentielles Wachstum.- Unsere Energieversorgung heute.- Kernenergie.- Sonnenenergie.- Energiespeicherung durch Photosynthese.- Energieströme in Pflanzen und Tieren.- II Energieformen.-
3 Die Energieform Rotationsenergie.- Die Kennzeichnung von Energieformen durch physikalische Größen.- Rotationsenergie und Drehimpuls.- Rotationsenergie-Strom und Drehimpuls-Strom.- Das Getriebe als Transformator für Rotationsenergie.- Rotationsenergie und Drehimpuls eines 2-Körper-Systems.- Änderungen des Trägheitsmoments. Verschiebungsenergie.- Die Rotation von Molekülen.-
4 Die Energieformen Bewegungsenergie, Kompressionsenergie, Oberflächenenergie, elektrische Energie.- Bewegungsenergie.- Kompressionsenergie.- Oberflächenenergie.- Elektrische Energie.- Die mathematische Gestalt von Energieformen.-
5 Die Energieform chemische Energie.- Die Menge eines Stoffs und die Variable "Teilchenzahl".- Einheiten der Größe Teilchenzahl.- Mehrere Teilchenzahl-Variablen.- Chemische Energie.- Elektrochemische Energie.-
6 Die Energieform Wärme.- Extensive und intensive Größen.- Standard-Variablen und Standard-Energieformen.- Wärmeenergie.- Wärmestrom und Entropiestrom.-
7 Die Energieformen von elektromagnetischem Feld und Materie.- Das System "Elektromagnetisches Feld".- Ladungen und Dipole in der Materie.- Die Energieform elektrische Energie des elektromagnetischen Feldes.- Die Energieform Polarisationsenergie eines Körpers.- Energieaustausch bei Erzeugung und Verschiebung eines elektrischen Dipols.- Die Energieform magnetische Energie des elektromagnetischen Feldes.- Die Energieform Magnetisierungsenergie eines Körpers.- Mit der Erzeugung eines magnetischen Dipols verknüpfter Energieaustausch.- Die Energieformen des Gesamtsystems "Elektromagnetisches Feld + Materie".- III System, Zustand, Prozeß.-
8 Die Gibbssche Fundamentalform eines Systems.- Ströme mengenartiger Größen und ihre Energieströme.- Systeme und ihr Energieaustausch.- Die Gibbssche Fundamentalform.-
9 Systeme und ihre Gibbs-Funktionen.- Was ist ein System?.- Die Gibbs-Funktion E = E(extensive Variablen) eines Systems.- Standard-Variablen.- Gewinnung der intensiven Variablen eines Systems aus seiner Gibbs-Funktion.-
10 Zerlegung von Systemen.- Zerlegung der Energie in Anteile.- Zerlegung eines Systems in Teilsysteme.- Die innere Energie als Energieanteil.- Die Unzerlegbarkeit eines Systems in relativistischen Zuständen.-
11 Zustand und Prozeß.- Was ist ein Zustand?.- Prozesse als Übergänge zwischen Zuständen.- Prozesse als Änderungen dynamischer Größen.- Dynamische und kinematische Größen.- IV Gleichgewichte.-
12 Gleichgewicht beim Austausch von Verschiebungsenergie, Bewegungsenergie, Rotationsenergie, Kompressionsenergie, Oberflächenenergie.- Gleichgewicht beim Austausch von Verschiebungsenergie. Kräftegleichgewicht.- Minimumprinzip der Energie.- Gleichgewicht beim Austausch von Bewegungsenergie. Translatives Bremsgleichgewicht.- Gleichgewicht beim Austausch von Rotationsenergie. Rotatives Bremsgleichgewicht.- Gleichgewicht beim Austausch von Kompressionsenergie. Druckgleichgewicht.- Gleichgewicht beim Austausch von Oberflächenenergie. Minimalflächen.- Die Oberfläche als Grenzfläche zwischen verschiedenen Medien.- Die Grenzfläche zwischen einer flüssigen und einer festen Phase.-
13 Gleichgewichte beim Austausch geladener Teilchen.- Elektronengleichgewicht zwischen Festkörpern. Kontaktspannung.- Halbleiterrandschicht.- Batterien.- Chemische Gleichgewichte in der Batterie.- Die EMK der geladenen Batterie.- Die entladene Batterie.-
14 Thermisches Gleichgewicht.- Gleichgewicht beim Austausch von Wärme.- Maximumprinzip der Entropie.- Gleichgewichte und Nicht-Gleichgewichte.- Allgemeine Bedeutung des Gleichgewichts.- V Temperatur.-
15 Die Messung der Temperatur. Gasthermometer.- Empirische Temperaturen.- Die Gastemperatur.- Ideale Gase.- Beweis der Proportionalität zwischen der Gastemperatur eines idealen Gases und der absoluten Temperatur.- Grenzen des Gasthermometers.- Die Kelvin-Skala der Temperatur.-
16 Temperatur und Expansionsprozesse bei Gasen.- Die isotherme Expansion eines Gases.- Realisierungen idealer Gaszustände.- Die Expansion bei konstanter Energie.- Experimentelle Realisierung der isoenergetischen Expansion. Freie Expansion.- Thermodynamische Charakterisierung der isoenergetischen Expansion.-
17 Temperatur und Kreisprozesse.- Kreisprozesse.- Kreisprozesse zwischen zwei festen Temperaturen.- Der Carnotsche Kreisprozeß.- Andere Kreisprozesse zwischen zwei Temperaturen.-
18 Die Temperatur magnetischer Systeme.- Paramagnetische Festkörper.- Der ideale Paramagnet.- Die Entropie des idealen Paramagneten.- Der Paramagnet als Arbeitssystem. Adiabatische Entmagnetisierung.- Die Messung tiefster Temperaturen.- VI Entropie.-
19 Prozesse und ihre Realisierung.- Austausch und Erzeugung von Entropie.- Realisierungen von Prozessen.- Adiabatische Prozeßrealisierungen.- Temperaturausgleich innerhalb eines adiabatisch abgeschlossenen Systems.- Beim Temperaturausgleich erzeugte Entropie.-
20 Reversibilität und Irreversibilität.- Der Begriff der Wärme bei Clausius.- Der herkömmliche Gebrauch des Wortes "Wärme".- Irreversible und reversible Realisierung des Wärmeaustausches.- Wärmeaustausch bei kleinen Temperaturdifferenzen.- Irreversible und reversible Realisierung der isoenergetischen Expansion eines idealen Gases.- Irreversible und reversible Realisierung des Mischens idealer Gase.- Zustand. Prozeß. Realisierung.- Die Umkehrbarkeit von Prozessen.- Arbeitsfähigkeit eines Systems.- Energiedissipation.- Die Unmöglichkeit der Entropievernichtung.- Die Entropie als Maß des "Wertes" der Energie.-
21 Die Messung der Entropie.- Entropieänderungen und Prozesse.- Beispiele der Entropiemessung.- Die Messung der Entropie bei konstanten Werten der intensive Variablen.- Die zur Messung benutzten Prozeßrealisierungen.- Definition und Messung der Entropie nach Clausius.-
22 Entropie und Wärmekapazitäten.- Entropiedifferenzen und Wärmekapazitäten.- Die historische Wurzel des Begriffs der Wärmekapazität.- Die Wärmekapazitäten als Ableitungen physikalischer Größen.- Die Differenz Cp - Cv.- Allgemeine Suszeptibilitäten.- Die Abhängigkeit der Entropie von V und p.- Die Abhängigkeit der Entropie von N. Größen pro Teilchenzahl.-
23 Die Entropie von Gasen.- Die Entropie idealer Gase.- Die Wärmekapazitäten von Gasen.- Die Messung von ? = cp/cv.- Zerlegung eines idealen Gases in elementare ideale Gase.- Die Wärmekapazität elementarer idealer Gase.- Die innere Zustandssumme eines idealen Gases.- Wärmekapazitäten und innere Anregungen der Moleküle eines Gases.-
24 Die Entropie von Festkörpern.- Die Abhängigkeit der Entropie eines Festkörpers von v und p.- Gitter- und Elektronen-System als Teilsysteme eines Festkörpers.- Die Teilchenzahl-Variablen eines Festkörpers.- Die Entropie des Gitter-Systems eines Festkörpers.- Die Entropie des Elektronen-Systems eines Festkörpers.- Das Elektronen-System eines Halbleiters.- Das Elektronen-System eines Metalls.- Die Entropie eines paramagnetischen Festkörpers.- Die Rolle von Spin- und Gitter-System eines paramagnetischen Festkörpers bei der adiabatischen Entmagnetisierung.- VII Die Hauptsätze.-
25 Der 1. Hauptsatz.- Die historische Entwicklung des Begriffs der Energie und ihrer Erhaltung.- Das Wärmeäquivalent.- Das Problem der Formulierung des 1. Hauptsatzes.- Die Energie als einseitige und absolute Variable.-
26 Der 2. Hauptsatz.- Die historischen Formulierungen des 2. Hauptsatzes.- Die Entropie als einseitige und absolute Variable.- Der Zusammenhang zwischen Entropie und Temperatur eines Systems.-
27 Systeme mit negativer Temperatur.- Stabilität und Temperatur.- Die Grenzen der Wertebereiche von T und 1/T.- 2-Zustands-Systeme.- Die experimentelle Erzeugung negativer Temperaturen.- Maser und Laser.-
28 Der 3. Hauptsatz. Der Absolutwert der Entropie.- Das Nernstsche Wärmetheorem.- Instabilitäten bei T?0. Mischungsentropie.- Folgerungen aus dem 3. Hauptsatz.- Die Absolutbestimmung der Entropie.- Die chemische Konstante eines idealen Gases.- Naturkonstanten.- Wichtige Einheiten.

Erscheint lt. Verlag	13.12.2011
Zusatzinfo	XIV, 414 S. 92 Abb.
Verlagsort	Berlin
Sprache	deutsch
Maße	170 x 244 mm
Gewicht	724 g
Themenwelt	Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie ► Allgemeines / Lexika
Schlagworte	Dynamik • Energie • Mechanik • Reibung • Thermodynamik • Wärmelehre
ISBN-10	3-642-67900-5 / 3642679005
ISBN-13	978-3-642-67900-1 / 9783642679001
Zustand	Neuware