Thermodynamik: Eine Einführung

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„Thermodynamik ist ein komisches Fach. Das erste Mal, wenn man sich damit befasst, versteht man nichts davon…“ Dieses Zitat des berühmten Physikers Arnold Sommerfeld spricht wohl vielen Studierenden der ersten Semester aus dem Herzen. In der Tat wirken die Vielzahl an thermodynamischen Größen wie Innere Energie, Enthalpie, Gibbs'sche Energie gerade für den Anfänger recht verwirrend.

Zugegeben – Thermodynamik ist nicht einfach, und deshalb ist ein gutes Lehrkonzept besonders wichtig. Einerseits darf der Studierende nicht mit akademischen Definitionen und mathematischen Ableitungen erschlagen, andererseits aber auch nicht mit „Thermodynamik light“ mit trügerischem Halbwissen abgespeist werden.

Das vorliegende Lehrbuch basiert auf jahrzehntelanger Lehrerfahrung der Autoren und folgt dem von Carathéodory aufgezeigten Zugang zur Thermodynamik. Dieses in den traditionellen Lehrbüchern eher seltene Konzept stellt einen mathematischen Zusammenhang zwischen den zahlreichen thermodynamischen Größen her und hat bereits Albert Einstein begeistert.

„Thermodynamik – Eine Einführung“ richtet sich an alle Studierenden der Chemie, der Biologie, der Physik und des Maschinenbaus im Bachelor-Studiengang. Das Buch zeichnet sich durch eine durchgängige Herleitung der relevanten Gesetze und Theorien auf Basis logischer Überlegungen und aus der Beobachtung der Natur und der Konzeption geeigneter Experimente aus. Zahlreiche Aufgaben (mit komplettem Lösungsweg im Anhang) ergänzen das Werk.

Das Buch eignet sich auch ausgezeichnet zum Selbststudium.

Im Vergleich zur erfolgreichen 1. Auflage hat sich am Konzept der 2. Auflage nichts verändert. Die erweiterte 2. Auflage enthält allerdings multimediale Elemente (mehr als 35 Videos zu Übungsaufgaben), die das typische Denken und die Vorgehensweise bei Problemlösungen in den Naturwissenschaften schulen sollen, sowie Stoffdatentabellen im Anhang.

Author(s): Jakob „SciFox“ Lauth, Jürgen Kowalczyk
Edition: 2
Publisher: Springer Spektrum
Year: 2022

Language: German
Pages: 431
Tags: Thermodynamics; Classical Gas Theory; van der Waals equation; Laws of Classical Thermodynamics; Joule-Thomson Effect

Vorwort zur 2. Auflage
Vorwort
Symbolverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Teil I Klassische Gastheorie
1 Einführung
1.1 Grundlegende Begriffe und Definitionen
2 Das ideale Gas
2.1 Empirische Ergebnisse
2.2 Temperaturskalen
2.3 Universelle Gasgleichung
3 Das reale Gas
3.1 Die van der Waals-Gleichung
4 Übungsaufgaben zur klassischen Gastheorie
4.1 Fragen
4.2 Lösungen zu den Übungsaufgaben
4.3 Multimedia-Übungsaufgaben zur klassischen Gastheorie
Teil II Die Hauptsätze der klassischen Thermodynamik
5 Einführung
5.1 Die vier Hauptsätze der Thermodynamik
5.2 Begriffsdefinitionen
6 0. Hauptsatz der Thermodynamik
7 1. Hauptsatz der Thermodynamik
7.1 Formulierung des 1. Hauptsatzes und Zustandsfunktionen
7.2 Innere Energie
7.3 Vollständiges Differential, Zustandsfunktion und maximale Arbeit
7.4 Adiabate Zustandsänderungen, Poisson-Gleichung
8 Der Carnot-Prozess und der 2. Hauptsatz der Thermodynamik
8.1 Der Carnot-Prozess
8.2 2. Hauptsatz der Thermodynamik und thermodynamische Zustandsfunktionen
9 Die mathematische Struktur der Thermodynamik
9.1 Die Legendre-Transformation
9.2 Totales Differential und Wegunabhängigkeit
9.3 Integrierender Faktor
9.4 Die mathematische Struktur der Thermodynamik im Überblick
10 Irreversible Prozesse
10.1 Der Joule-Thomson-Effekt
10.2 Noch einmal das ideale Gas
10.3 Die Wärmekapazität: C_p und C_V
10.4 Reversible und irreversible Prozesse
10.5 Berechnung der Entropieänderung bei irreversiblen Prozessen
11 Spontane Prozesse bei chemischen Reaktionen
11.1 Isoliertes System
11.2 Isentroper-isochorer Fall
11.3 Isentroper-isobarer Fall
11.4 Isothermer-isochorer Fall
11.5 Isotherm-isobarer Fall
11.6 Zusammenfassung
12 3. Hauptsatz der Thermodynamik
13 Übungsaufgaben zu den Hauptsätzen der klassischen Thermodynamik
13.1 Fragen
13.2 Lösungen zu den Übungsaufgaben
13.3 Multimedia-Übungsaufgaben zu den Hauptsätzen der klassischen Thermodynamik
Teil III Anwendungen
14 Chemische Reaktionen
14.1 Das Haber-Bosch-Verfahren
14.2 Reaktionen in Lösung
15 Phasengleichgewichte bei Einkomponentensystemen
16 Kolligative Eigenschaften
16.1 Die Gibbs'sche Phasenregel
16.2 Vollständig in flüssiger Phase mischbare Systeme
16.3 Vollständig in flüssiger Phase mischbare Systeme aus zwei flüchtigen Komponenten
16.4 Dampfdruckerniedrigung
16.5 Gefrierpunkterniedrigung und Siedepunkterhöhung
16.6 Osmotischer Druck
16.7 Chemisches Potenzial bei idealen Mischungen
17 Nicht ideale Lösungen
17.1 Azeotrope Gemische
17.2 Zusammenstellung der wichtigsten Ergebnisse bei homogenen Mischungen
18 Nicht vollständig mischbare Mehrkomponentensysteme und deren Phasendiagramme
18.1 Destillation partiell mischbarer Flüssigkeiten
18.2 Flüssig-fest-Phasendiagramme
18.3 Inkongruentes Schmelzen
18.4 Zonenschmelzen
18.5 Dreikomponenten-Phasendiagramme
19 Übungsaufgaben zu den Anwendungen
19.1 Fragen
19.2 Lösungen zu den Übungsaufgaben
19.3 Multimedia-Übungsaufgaben zu den Anwendungen
Teil IV Ein wenig Statistik
20 Kinetische Gastheorie
20.1 Einführung
20.2 Kinetische Theorie des Drucks eines idealen Gases
20.3 Temperatur und Energie
20.4 Verteilungsfunktionen und Mittelwerte
20.5 Die Maxwell'sche Geschwindigkeitsverteilung
20.6 Die Energieverteilungsfunktion
20.7 Mittlere freie Weglänge und Stoßzahl
20.8 Wärmekapazität und ideales Gas
21 Übungsaufgaben zur Statistischen Thermodynamik
21.1 Fragen
21.2 Lösungen zu den Übungsaufgaben
21.3 Multimedia-Übungsaufgaben zur Statistischen Thermodynamik
22 Statistisches Ensemble und Postulate der statistischen Thermodynamik
23 Das kanonische Ensemble
24 Kanonisches Ensemble und Thermodynamik
25 Das großkanonische Ensemble
26 Das mikrokanonische Ensemble
26.1 Wie geht es weiter?
Literatur
Abbildungsnachweis
Konstanten und Umrechnungsfaktoren
Anhang: Thermodynamische Daten
Stichwortverzeichnis