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Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, auch als Energieerhaltungssatz bekannt, beschreibt die Umwandlung und Erhaltung von Energie in einem abgeschlossenen System.

• Formulierung: \Delta U = Q - W\
• Innere Energie (U): Maß für die Gesamtenergie eines Systems
• Wärme (Q): Energie, die aufgrund von Temperaturunterschieden übertragen wird
• Arbeit (W): Energie, die durch mechanische Prozesse übertragen wird
• Anwendungen: Berechnung von Wirkungsgraden thermischer Maschinen

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bestimmt die Richtung spontaner Prozesse und die Qualität der Energieumwandlung.

• Formulierung: Die Entropie eines abgeschlossenen Systems nimmt mit der Zeit zu oder bleibt konstant \(\bbox[white]{\text{(ΔS ≥ 0)})\
• Entropie (S): Maß für die Unordnung eines Systems
• Carnot-Wirkungsgrad: Höchst möglicher Wirkungsgrad eines Wärmekraftwerks
• Irreversibilität: Ein natürlicher Prozess ist irreversibel und kann nicht vollständig zurückgeführt werden
• Anwendungen: Effizienz von Motoren und Kühlsystemen

Thermodynamische Systeme und Prozesse untersuchen die Zustandsänderungen in einem definierten System innerhalb einer bestimmten Umgebung.

• Abgeschlossene, offene und geschlossene Systeme: Charakterisierung anhand des Energie- und Materieaustauschs
• Zustandsgrößen: Beschreibung eines Systems durch Druck, Volumen, Temperatur usw.
• Prozessarten: Isotherm, isochor, isobar, adiabatisch
• Zustandsgleichung: z.B. idealen Gasgesetz: \(PV = nRT\)
• Erster und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik im Kontext

Die Eigenschaften und Zustandsgrößen reiner Stoffe behandeln die physikalischen Kennzahlen, die den Zustand eines reinen Stoffsystems beschreiben.

• Phasendiagramme: Darstellung der Phasenzustände in Abhängigkeit von Druck und Temperatur
• Zustandsgleichungen: Van-der-Waals-Gleichung \[ \bigg(P + \frac{a}{V_m^2}\bigg)(V_m - b) = RT \]
• Spezifische Wärme: Wärmemenge zur Erhöhung der Temperatur einer Stoffmenge um 1 Grad Celsius
• Enthalpie (H): Gesamtwärmeinhalt eines Systems \( H = U + pV \)
• Freie Energie und Gibbs'sche Energie: Potenziale zur Vorhersage der Spontaneität von Prozessen

Phasenübergänge und thermische Maschinen behandeln den Wechsel zwischen verschiedenen Aggregatzuständen und die Funktionsweise von Maschinen, die Wärme in Arbeit umwandeln.

• Phasendiagramme: Darstellung von Übergängen zwischen fest, flüssig und gasförmig
• Latente Wärme: Wärmemenge, die während eines Phasenübergangs ohne Temperaturänderung zugeführt oder abgeführt wird
• Clausius-Clapeyron-Gleichung: \(\frac{dP}{dT} = \frac{L}{T \big(V_{\text{gas}} - V_{\text{flüss}} \big)}\)
• Wärmekraftmaschinen: Funktionsweise und Arbeitsprozesse, z.B. Carnot-Prozess
• Kältemaschinen: Prinzip der Wärmeentnahme aus einem kälteren Reservoir und deren Abgabe an ein wärmeres