0th and 1st Law: Temperature and Energy

00:01 Wir sind bei unserem letzten Thema für diese Vorlesungsreihe angekommen, nämlich der Thermodynamik.

00:06 Die Thermodynamik wird in vielen Prüfungen sehr häufig abgefragt und sie wird oft auch als eines der verwirrendsten Themen angesehen, weil die Art und Weise, wie wir über Themen reden und denken werden, anders als sonst üblich sein wird.

00:18 Ich werde dennoch mein Bestes geben, um die Thermodynamik mit dem zu verknüpfen, worüber wir in der Vergangenheit bereits gesprochen haben, nämlich der Arbeit und der Energie.

00:24 Wir werden sehen, dass uns dieses neue Thema eigentlich gar nicht so fremd ist.

00:26 Wir werden nun mit dem ersten Vortrag über die Grundlagen beginnen und besprechen, welche Größen wir in einem System messen können.

00:33 Wenn ich einen Behälter habe, in dem sich ein Gas befindet, könnte man sich fragen: “Welche Größen könnten wir in diesem System messen?” Als wir bereits über Gase gesprochen haben, haben wir festgestellt, dass wir den Druck, das Volumen und die Temperatur eines Systems messen können.

00:48 Diese Größen - der Druck, das Volumen und die Temperatur - werden als Zustandsgrößen bezeichnet.

00:54 Der Grund, warum wir sie als Zustandsgrößen bezeichnen, ist, weil diese Größen nur davon abhängen, wie der Zustand des Systems im Moment ist.

01:02 Wenn ich zum Beispiel gerade den Raum betrete und diese Größen messen möchte und nicht weiß, was für Experimente Sie hier zuvor betrieben haben, könnte ich mir das System genau anschauen und dennoch den Druck, die Temperatur und das Volumen messen, da diese Mengen nur davon abhängen, wie das System im Moment aussieht.

01:20 Wir könnten uns andererseits auch ein Gegenbeispiel dazu ausdenken, da man sich in diesem Fall fragen könnte, was denn keine Zustandsvariable ist? Eine gute Zustandsvariable werden wir in der Thermodynamik häufig verwenden, wie viel Wärme Sie dem System zugeführt haben, ist aber keine.

01:35 Wenn ich zum Beispiel jetzt im Labor auftauchen und versuchen würde, herauszufinden, wie viel Wärme Sie diesem speziellen System zugeführt haben, kann ich das nicht feststellen.

01:43 Es gibt keine Möglichkeit, anhand von Zustandsvariablen eines Systems festzustellen, wie viel Wärme zugeführt wurde, wenn ich nicht auch etwas über die Art und Weise weiß, wie sich das System von dem Ausgangspunkt bis zu dem Endpunkt entwickelt hat.

01:55 Eine Zustandsvariable ist also etwas, das man stets nur auf der Grundlage des aktuellen Zustands eines Systems messen kann.

02:00 Zu den Zustandsvariablen gehören der Druck, die Temperatur und das Volumen.

02:04 Die erste Gesetzmäßigkeit, die wir besprechen müssen, wird manchmal als der nullte Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet.

02:12 Er erklärt uns, was Temperatur bedeutet.

02:16 Das nullte Hauptsatz besagt, dass sich zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht befinden, wenn sie miteinander in Kontakt stehen.

02:21 Das bedeutet Folgendes: Wenn die beiden Systeme, sagen wir eins und drei, im thermischen Gleichgewicht mit einem zweiten System, das wir System zwei nennen, sind, wären sie per Definition im thermischen Gleichgewicht miteinander.

02:33 Das ist also der nullte Hauptsatz der Thermodynamik, der eine Einschränkung oder Definition dessen darstellt, was wir unter Temperatur verstehen.

02:41 Wenn zwei Systeme mit einem dritten System im Gleichgewicht sind, befinden sich solche Systeme wie System eins und drei per Definition auch im thermischen Gleichgewicht untereinander.

02:51 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie immer erhalten bleibt.

02:58 Hier haben wir zum Beispiel ein geschlossenes System.

03:02 Wir haben einen Kasten um dieses System gezeichnet, um darzustellen, dass es sich um ein geschlossenes System handelt.

03:06 Die Energie muss innerhalb dieses Systems erhalten bleiben.

03:10 Das bedeutet nicht, dass nicht auch Energie in das System einfließen oder Energie aus dem System austreten kann, was schließlich die Energie des Systems verändern würde.

03:17 Es bedeutet jedoch, dass man ohne den Einfluss äußerer Quellen in diesem speziellen System weder Energie verlieren noch gewinnen kann.

03:25 Merken Sie sich, dass Energie in Systeme eindringen und sie wieder verlassen kann, aber nur aufgrund externer Einflüsse.

03:30 Man kann keine Energie gewinnen oder verlieren, indem man etwas am System selbst ändert.

03:35 Die innere Energie eines Systems stellen wir mit dem Buchstaben U dar.

03:40 Achten Sie im weiteren Verlauf auf die verschiedenen Variablen, die wir einführen werden.

03:44 Wir haben bereits über den Druck, die Temperatur und das Volumen gesprochen, für die wir die Variablen p, T und V haben.

03:51 Mit der inneren Energie eines Systems haben wir eine neue Variable eingeführt.

03:55 Sie wird U genannt.