Thermodynamik (eBook)

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Rainer Müller, TU Braunschweig.

Vorwort 5
1 Biologie und Chemie des Kochens 11
1.1 Was beim Garen geschieht 12
1.2 Gemüse 12
1.3 Fleisch 15
1.4 Spaghetti kochen – Erhitzen von Stärke 19
1.5 Garverfahren 21
2 Wasser und Dampf – Kochen im Schnellkochtopf 23
2.1 Die Erfindung des Schnellkochtopfs 24
2.2 Zustände thermodynamischer Systeme 27
2.3 Phasenänderungen beim Erhitzen vonWasser 31
2.4 v-T-Diagramm und Verdampfungsenthalpie 34
2.5 Sieden bei höherem Druck 36
2.6 Kochen im Schnellkochtopf 43
3 Phasenübergänge in der Natur – Dampf, Tau und Nebel 57
3.1 Geysire 58
3.2 Gasgemische 68
3.3 Verdampfen und Verdunsten 71
3.4 Kochen im Gebirge 75
3.5 Luftfeuchtigkeit 77
3.6 Taubildung und Taupunkttemperatur 80
3.7 Nebel undWolken 86
4 Das ideale Gas – Cornelis DrebbelsWunderapparatur 89
4.1 Der Apparat von Cornelis Drebbel 90
4.2 Die Zustandsgleichung des idealen Gases 94
4.3 Drebbels Apparat als Barometer und Thermometer 98
5 Fundamentale Konzepte: Kinetische Gastheorie 107
5.1 Die Begründung der Thermodynamik aus der klassischen Mechanik 108
5.2 Mikroskopisches Modell des idealen Gases 109
5.3 Statistische Beschreibung des Drucks 110
5.4 Zustandsgleichung des idealen Gases 114
5.5 Maxwell-Boltzmann-Verteilung 120
5.6 Luft, statistisch betrachtet 126
5.7 Brownsche Bewegung 131
5.8 Reale Gase 137
6 Der erste Hauptsatz – Thermodynamik des Backofens 139
6.1 Der Sonntagsbraten als thermodynamisches Problem 140
6.2 Systemgrenzen 142
6.3 Energieformen 144
6.4 Innere Energie 145
6.5 Gesamtenergie 147
6.6 Wärme und Arbeit 148
6.7 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 158
6.8 Spezifische Wärmekapazität 162
6.9 Spezifische Wärmekapazität von Gasen 168
6.10 cV , cp und die Mathematik des ersten Hauptsatzes 168
6.11 Wärmekapazitäten und der Gleichverteilungssatz 173
6.12 Modelle für Festkörper und Flüssigkeiten 178
6.13 Isobare Prozesse und die Enthalpie 181
6.14 Erster Hauptsatz für stationäre Fließprozesse 183
7 Adiabatische Prozesse – Luftdruck, Thermik undWolken 189
7.1 Die barometrische Höhenformel 190
7.2 Temperaturmessungen mit Radiosonden 196
7.3 Thermik 200
7.4 Der adiabatisch-reversible Prozess 205
7.5 Der Aufstieg eines Luftpaketes 208
7.6 Thermik und Temperaturkurve 210
7.7 Feuchtadiabatischer Aufstieg 212
7.8 Wolkenbildung 213
7.9 Höhenabhängigkeit der Taupunkttemperatur 217
8 Thermodynamische Kreisprozesse – Heizen mitWärmepumpen 219
8.1 Klimawandel und CO2-Emissionen 220
8.2 Mit kalter Luft heizen? 222
8.3 Die Carnot-Wärmepumpe 225
8.4 Leistungszahl von Wärmepumpen 234
8.5 Die Carnot-Wärmekraftmaschine 237
8.6 Wärmepumpen zurWohnungsheizung 238
8.7 Leistungszahlen in der Praxis 240
8.8 Primärenergiebilanz von Wärmepumpen 241
8.9 Der Kältemittelkreislauf in einer Wärmepumpe 242
8.10 Kältemittel 246
8.11 Quantitative Analyse des Kältemittelkreislaufs 247
9 Fundamentale Konzepte: Die Entropie als Zustandsgröße 251
9.1 Die Qualität der Energie 252
9.2 Die Entropie der inkompressiblen Substanz 255
9.3 Adiabatische Erreichbarkeit als Ordnungsrelation 258
9.4 Die Entropie 264
9.5 Die Entropie des idealen Gases 267
9.6 Unterirdische Verbindungen 270
10 Fundamentale Konzepte: Der zweite Hauptsatz 277
10.1 Irreversible Prozesse 278
10.2 Bilanzgleichung für die Entropie 279
10.3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 285
10.4 Entropieerzeugung in irreversiblen Prozessen 288
10.5 Das Maximum der Entropie 290
10.6 Freie Energie und freie Enthalpie 291
10.7 Klassische Fassungen des zweiten Hauptsatzes 295
10.8 Entropiebilanz für offene Systeme 301
11 Fundamentale Konzepte:Mikroskopische Deutung der Entropie 305
11.1 Irreversibilität und die Zerstreuung von Energie 306
11.2 Makrozustand und Mikrozustände 308
11.3 Statistische Mechanik: Das Zählen von Zuständen 309
11.4 Das Boltzmann-Einstein-Modell 310
11.5 Die Verbindung zur Thermodynamik 314
11.6 Die Boltzmann-Verteilung 317
11.7 Mikroskopische Begründung der Irreversibilität 322
12 Kraftwerksprozesse – Strom von der Sonne 325
12.1 Solarkraftwerke in derWüste 326
12.2 Grundaufbau eines solarthermischen Kraftwerks 332
12.3 Der Kraftwerksprozess 334
12.4 Gas-und-Dampf-Kraftwerke 343
12.5 Kraft-Wärme-Kopplung 344
13 Mechanismen derWärmeübertragung –Windchill 345
13.1 Windchillmessungen in der Antarktis 346
13.2 Die Mechanismen derWärmeübertragung 352
13.3 Wärmeleitung 353
13.4 Wärmeübertragung durch Strahlung 357
13.5 Wärmeübertragung durch Konvektion 370
13.6 Der Behälter von Siple und Passel 379
13.7 Thermische Netzwerke 385
14 InstationäreWärmeleitung – Das perfekte Frühstücksei 389
14.1 Die Wärmeleitungsgleichung 390
14.2 Die gleichmäßige Erwärmung 392
14.3 Morgen bringe ich sie um 396
14.4 Warum sich Metall kalt und Holz warm anfühlt 403
A Literatur und Bildnachweis 411
B Tabellen und Symbolverzeichnis 419
Sachregister 435

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"Kann es ein Genuss sein, ein Lehrbuch zur Thermodynamik zu lesen? (...) Das ist Rainer Müller in seinem neuen Buch sehr gut gelungen (...). Dadurch ist das Buch für Lernende und Lehrende ein Highlight auf dem Lehrbuchsektor. Es ist sehr gut lesbar, manche Stellen sind so spannend, dass man es nicht aus der Hand legen möchte."
Elke Heinecke in: Physik unserer Zeit 2/2015

"Es ist das beste Lehrbuch zur Thermodynamik, welches ich jemals gelesen habe – und ich habe schon viele gelesen! (...) Rainer Müller meistert den Spagat zwischen physikalischer Exaktheit in der Argumentation und Anschaulichkeit der gewählten Beispiele in einer Art und Weise, wie ich sie vorher noch niemals in einem Lehrbuch der Thermodynamik gelesen habe. Besser geht es einfach nicht! Schon sein Lehrbuch über Mechanik ist außergewöhnlich gut gelungen, aber mit diesem Lehrbuch über Thermodynamik hat er sich nochmals übertroffen."
Metin Tolan in: Physik Journal 10/2014

"Das Buch bietet aufgrund der vielen Bilder und der z.T. originellen Anwendungen eine kurzweilige Ergänzung für diejenigen, welche die Thermodynamik auch intuitiv besser verstehen lernen möchten."
Michael Pfitzner, Universität der Bundeswehr, München