1 Aufgabe der Thermodynamik und ihre Bilanzgleichungen.- 1.1 Die Felder der Mechanik und Thermodynamik.- 1.1.1 Massendichte, Geschwindigkeit und Temperatur.- 1.1.2 Historisches zur Temperatur.- 1.2 Bilanzgleichungen.- 1.2.1 Die Erhaltungssätze der Thermodynamik.- 1.2.2 Bilanzen für abgeschlossene und offene Systeme.- 1.2.3 Lokale Bilanz in regulären Punkten.- 1.3 Massenbilanz.- 1.3.1 Integrale und lokale Massenbilanzen.- 1.3.2 Beispiel zur Massenbilanz: Düsenströmung.- 1.4 Impulsbilanz.- 1.4.1 Integrale und lokale Impulsbilanzen.- 1.4.2 Druck.- 1.4.3 Beispiel I zur Impulsbilanz: Druckverlauf in ruhender inkompressibler Flüssigkeit.- 1.4.4 Historisches zu Druck und Luftdruck. Druckeinheiten.- 1.4.5 Beispiel zum Druck: Auftriebsgesetz von Archimedes.- 1.4.6 Beispiel II zur Impulsbilanz: Raketengrundgleichung.- 1.4.7 Beispiel III zur Impulsbilanz: Konvektiver Impulsfluß.- 1.4.8 Beispiel IV zur Impulsbilanz: Düsenströmung.- 1.4.9 Beispiel V zur Impulsbilanz: Bemoulli-Gleichung.- 1.5 Energiebilanz.- 1.5.1 Kinetische Energie und Innere Energie.- 1.5.2 Integrale und lokale Energiebilanzen.- 1.5.3 Potentielle Energie.- 1.5.4 Beispiel I zum Energiesatz: Düsenströmung.- 1.5.5 Beispiel II zum Energiesatz: Adiabate Drosselung.- 1.5.6 Beispiel III zum Energiesatz: Verdampfung.- 1.5.7 Beispiel IV zum Energiesatz: Fön.- 1.5.8 Beispiel V zum Energiesatz: Turbine.- 1.6 Bilanz der Inneren Energie.- 1.6.1 Ableitung aus Energie-, Impuls- und Massenbilanz.- 1.6.2 Kurzform der Energiebilanzen für abgeschlossene Systeme.- 1.7 Erster Hauptsatz für reversible Prozesse. Grundlage der "pdV-Thermodynamik".- 1.7.1 Arbeitsleistung und innere Arbeitsleistung im reversiblen Prozeß.- 1.7.2 Reversible Prozesse.- 1.8 Historisches zum ersten Hauptsatz.- 1.9 Zusammenfassung der Bilanzgleichungen.- 2 Materialgleichungen.- 2.1 Allgemeine Form der Materialgleichungen in Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen.- 2.1.1 Notwendigkeit von Materialgleichungen.- 2.1.2 Materialgleichungen für wärmeleitende Flüssigkeiten, Dämpfe und Gase mit innerer Reibung.- 2.2 Bestimmung von Viskosität und Wärmeleitfähigkeit.- 2.2.1 Scherströmung zwischen zwei Platten. Newton'sches Reibungsgesetz.- 2.2.2 Wärmeleitung an Fensterscheibe.- 2.3 Zustandsgieichung idealer Gase.- 2.3.1 Thermische Zustandsgieichung idealer Gase.- 2.3.2 Historisches zur thermischen Zustandsgieichung idealer Gase.- 2.3.3 Kalorische Zustandsgieichung idealer Gase.- 2.3.4 Historisches zur kalorischen Zustandsgieichung idealer Gase. Der Versuch von Gay-Lussac.- 2.3.5 Eine instruktive Trivialform der kinetischen Gastheorie. Molekulare Deutung von Druck und Temperatur.- 2.3.6 Beispiel I zum idealen Gas: Kolben fällt in Zylinder.- 2.3.7 Beispiel II zum idealen Gas: Heizung emes Zimmers.- 2.3.8 Beispiel III zum idealen Gas: Geschwindigkeit und Temperatur am Austritt eines Föns.- 2.3.9 Beispiel IV zum idealen Gas: Düsenströmung.- 2.3.10 Beispiel V zum idealen Gas: Barometrische Höhenstufe.- 2.3.11 Beispiel VI zum idealen Gas: "Adiabatische Zustandsgieichung".- 2.3.12 Beispiel VII zum idealen Gas: Kaminströmung.- 2.4 Zustandsgieichungen von Flüssigkeiten und Dämpfen (ohne Phasenübergang).- 2.4.1 Die Notwendigkeit von Messungen.- 2.4.2 Thermische Zustandsgieichung.- 2.4.3 Kalorische Zustandsgieichung.- 2.4.4 Zustandsgieichungen von flüssigem Wasser.- 2.5 Zustandsdiagramme für Flüssigkeiten und Dämpfe (mit Phasenübergang).- 2.5.1 Das Phänomen des Phasenübergangs "flüssig - dampfförmig".- 2.5.2 Schmelzen und Sublimieren.- 2.5.3 Dampfdruckkurve und (p,T)-Diagramm von Wasser.- 2.5.4 Naßdampfgebiet und (p,v)-Diagramm von Wasser.- 2.5.5 Verdampfungswärme und (h,T)-Diagramm von Wasser.- 2.5.6 Beispiel I zur Verdampfung: Das Einweckglas.- 2.5.7 Beispiel II zur Verdampfung: Der Dampfkochtopf.- 2.5.8 Historisches zur Verflüssigung von Dämpfen und zur Erstarrung von Flüssigkeiten.- 2.5.9 Van der Waals-Gleichung.- 3 Reversible Prozesse. Die "pdV-Thermodynamik" bei der Berechnung thermodynamischer Maschinen.- 3.1 Kompressor und Preßluftmaschine. Heißluftmaschine.- 3.1.1 Die Arbeit am Kompressor.- 3.1.2 Der zweistufige Kompressor.- 3.1.3 Die Preßluftmaschine.- 3.1.4 Die Heißluftmaschine.- 3.1.5 Die Dampfmaschine.- 3.2 Arbeit und Wärme bei speziellen reversiblen Prozessen.- 3.2.1 Arbeit und Wärme im reversiblen Prozeß allgemein.- 3.2.2 Arbeit und Wärme in reversiblen "Isoprozessen" und im adiabaten Prozeß für ideale Gase.- 3.3 Kreisprozesse.- 3.3.1 Wirkungsgrad bei der Umsetzung der Wärme in Arbeit.- 3.3.2 Beispiel I zum Wirkungsgrad. Joule-Prozeß.- 3.3.3 Beispiel II zum Wirkungsgrad. Camot-Prozeß.- 3.3.4 Beispiel III zum Wirkungsgrad. Ericson-Prozeß.- 3.4 Verbrennungsmotoren.- 3.4.1 Ottomotor.- 3.4.2 Diesehnotor.- 4 Entropie.- 4.1 Der zweite Hauptsatz.- 4.1.1 Formulierung.- 4.1.2 Ergebnisse.- 4.1.3 Der universelle Wirkungsgrad des Camot-Prozesses.- 4.1.4 Absolute Temperatur als integrierender Faktor.- 4.1.5 Wachstum der Entropie.- 4.1.6 (T,S)-Diagramm und Maximaler Wirkungsgrad des Camot-Prozesses.- 4.2 Auswertung des Zweiten Hauptsatzes.- 4.2.1 Integrabilitätsbedingung.- 4.2.2 Innere Energie und Entropie des Van der Waals-Gases und des idealen Gases.- 4.2.3 Altemativformen der Gibbs-Gleichung und der Integrabilitätsbedingung.- 4.2.4 Phasengleichgewicht. Gleichungen von Clausius-Clapeyron.- 4.2.5 Phasengleichgewicht im Van der Waals-Gas.- 4.2.6 Temperaturänderung bei adiabater Drosselung. Beispiel: Van der Waals-Gas.- 4.2.7 Thermodynamische Stabilitätskriterien.- 4.2.8 Stabilitätsbedingungen.- 4.3 Historisclies zum Zweiten Hauptsatz.- 4.4 Die Entropie als S = k In W.- 4.4.1 Molekulare Deutung der Entropie.- 4.4.2 Entropie eines Gases und eines Polymermoleküls.- 4.4.3 Entropie als ein Maß für Unordnung.- 4.4.4 Das Wachstum der Unordnung.- 4.4.5 Maxwell'sehe Verteilungsfunktion.- 4.4.6 Die Entropie eines Gummistabes.- 4.5 Beispiel zu Entropie und Zweitem Hauptsatz: Gas und Gummi.- 4.5.1 Gibbs Gleichung und Integrabilitätsbedmgungen für Flüssigkeiten und Festkörper.- 4.5.2 Beispiele für entropische Elastizität.- 4.5.3 Reales Gas und Kristallisiertes Gummi.- 4.5.4 Freie Energie von Gasen und Gummis. (p,V)-und (P,L)-Kurven.- 4.5.5 Reversible und hysteretische Phasenübergänge.- 4.6 Historisches zur statistischen Interpretation der Entropie.- 5 Dampfmaschine und Kältemaschinen.- 5.1 Historisches zur Dampfmaschine.- 5.2 Dampfmaschine.- 5.2.1 Das (T,s)-Diagramm.- 5.2.2 Clausius-Rankine-Prozeß im (T,s)-Diagramm.- 5.2.3 Das (h,s)-Diagramm.- 5.2.4 Beispiel: Dampfdurchsatz und Wirkungsgrad einer Dampfkraftanlage.- 5.2.5 Instruktive Versuche zur Erhöhung des Wirkungsgrades.- 5.3 Kältemaschine und Wärmepumpe.- 5.3.1 Prinzip einer Kompressionskältemaschine.- 5.3.2 Beispiel: Berechnung einer Kompressions-Kältemaschine.- 5.3.3 Wärmepumpe. Ein Beispiel.- 6 Wärmeübertragung.- 6.1 Instationäre Wärmeleitung.- 6.1.1 Wärmeleitungsgleichung.- 6.1.2 Trennung der Variablen.- 6.1.3 Beispiel I: Wärmeleitung in einem adiabaten Stab der Länge L.- 6.1.4 Beispiel II: Wärmeleitung in einem unendlich langen Stab.- 6.1.5 Beispiel III: Temperaturmaximum in der Nähe eines Wärmepols.- 6.1.6 Historisches zur Wärmeleitung.- 6.2 Wärmetauscher.- 6.2.1 Wärmeübergangszahlen und Wärmedurchgangszahl.- 6.2.2 Temperaturgleichungen in Strömungsrichtung.- 6.2.3 Temperaturverläufe.- 6.3 Wärmestrahlung.- 6.3.1 Spektrales Emissionsverhältnis mid spektrale Absorptionszahl.- 6.3.2 Gemitteltes Emissionsverhältnis und gemittelte Absorptionszahl.- 6.3.3 Beispiel I zum Stefan-Boltzmann-Gesetz: Temperatur von Sonne und Planeten.- 6.3.4 Beispiel II zum Stefan-Boltzmann-Gesetz: Vergleich von Strahlung und Leitung.- 6.3.5 Historisches zur Wärmestrahlung.- 6.4 Nutzung der Sonnenenergie.- 6.4.1 Verfügbarkeit der Sonnenenergie.- 6.4.2 Thermosiphon.- 6.4.3 Aufwindkraflwerk.- 6.4.4 Treibhaus.- 6.4.5 Konzentrierende Kollektoren, das Brennglas.- 7 Mischungen und Mischphasen.- 7.1 Chemisches Potential.- 7.1.1 Charakterisierung von Mischungen, Lösungen und Legierungen.- 7.1.2 Das chemische Potential.- 7.1.3 Acht nützliche Eigenschaften des chemischen Potentials.- 7.1.4 Die Meßbarkeit des chemischen Potentials.- 7.2 Vermischungsgrößen. Chemisches Potential idealer Mischungen.- 7.2.1 Vermischungsgrößen allgemein.- 7.2.2 Vermischungsgrößen bei idealen Gasen.- 7.2.3 Ideale Mischungen.- 7.2.4 Chemische Potentialfunktionen idealer Mischungen.- 7.3 Osmose.- 7.3.1 Osmotischer Druck in verdünnten Lösungen. Van't Hoff sches Gesetz.- 7.3.2 Beispiel I zum osmotischen Druck: Pfeffer'sehe Säule.- 7.3.3 Beispiel II zum osmotischen Druck: Meerwasserentsalzung.- 7.3.4 Beispiel III zum osmotischen Druck: Physiologische Kochsalzlösung.- 7.3.5 Eine energetische Interpretation der Osmose.- 7.4 Mischphasen.- 7.4.1 Gibbs'sche Phasenregel.- 7.4.2 Freiheitsgrade.- 7.5 Flüssig-Dampf-Gleichgewichte (Ideal).- 7.5.1 Ideales Raoult'sches Gesetz.- 7.5.2 Ideale Phasendiagramme binärer Mischungen.- 7.5.3 Beispiel I zum Raoult'schen Gesetz: CO2 in Atmosphäre und Meer.- 7.5.4 Beispiel II zum Raoult'schen Gesetz: Mineralwasser.- 7.5.5 Beispiel III zum Raoult'schen Gesetz: Binäre Mischung aus Propan und Butan.- 7.5.6 Beispiel IV zum Raoult'schen Gesetz: Dampfdruckemiedrigung und Siedepunktserhöhung.- 7.5.7 Verdampfungsvorgang im Phasendiagramm.- 7.6 Flüssig-Dampf-Gleichgewichte (Real).- 7.6.1 Aktivität und Fugazität.- 7.6.2 Reales Raoult'sches Gesetz.- 7.6.3 Bestimmung der Aktivitätskoeffizienten.- 7.6.4 Bestimmung der Fugazitätskoefflzienten.- 7.6.5 Aktivitätskoeffizient bei Mischungswärme. Konstruktion von Phasendiagrammen.- 7.7 Freie Enthalpie einer Phasenmischung.- 7.7.1 Graphische Bestimmung der Gleichgewichtsbedingungen.- 7.7.2 Phasendiagrammm bei lückenloser Mischbarkeit.- 7.7.3 Mischungslücke in der flüssigen Phase.- 7.8 Legierungen.- 7.8.1 (T,c1)-Diagramme.- 7.8.2 Mischkristalle und Eutektikum.- 7.8.3 Gibb'sehe Phasenregel.- 7.8.4 Andere Phasendiagramme.- 8 Chemisch reagierende Mischungen.- 8.1 Stöchiometrie und Massenwirkungsgesetz.- 8.1.1 Stöchiometrie.- 8.1.2 Massenwirkungsgesetz.- 8.1.3 Massenwirkungsgesetz für ideale Mischungen und Mischungen idealer Gase.- 8.1.4 Historisches zum Massenwirkungsgesetz.- 8.1.5 Beispiel I zum Massenwu-kungsgesetz idealer Gase: Haber-Bosch-Synthese.- 8.1.6 Historisches zur Haber-Bosch-Synthese.- 8.1.7 Beispiel II zum Massenwirkungsgesetz idealer Gase: Zerfall von Kohlendioxid.- 8.1.8 Gleichgewicht in stöchiometrischen Mischungen idealer Gase.- 8.2 Reaktionswärmen, Reaktionsentropie und absolute Entropiewerte.- 8.2.1 Die additiven Konstanten in u und s.- 8.2.2 Reaktionswärmen und Bindungsenergien.- 8.2.3 Reaktionsentropien.- 8.2.4 Prinzip vom kleinsten Zwang.- 8.2.5 Absolutwerte von Energie und Entropie.- 8.3 Energetische und entropische Beiträge zum Gleichgewicht.- 8.3.1 Drei Anteile der freien Enthalpie.- 8.3.2 Beispiel I: Wasserstoffdissoziation.- 8.3.3 Beispiel II: Ammoniaksynthese.- 8.4 Die Brennstoffzelle.- 8.4.1 Chemische Reaktionen.- 8.4.2 Typenvielfalt.- 8.4.3 Thermodynamik.- 8.4.4 Effekt von Temperatur- und Druckänderungen.- 8.4.5 Leistung der Brennstoffzelle.- 8.4.6 Wirkungsgrad.- 8.5 Thermodynamik der Photosynthese.- 8.5.1 Das Dilemma der Glukose-Synthese.- 8.5.2 Massenbilanzen.- 8.5.3 Energiebilanz. Warum eine Pflanze viel Wasser braucht.- 8.5.4 Entropiebilanz. Warum eine Pflanze viel Luft braucht.- 8.5.5 Diskussion.- 9 Feuchte Luft.- 9.1 Charakterisierung feuchter Luft.- 9.1.1 Feuchtegrad.- 9.1.2 Enthalpie feuchter Luft.- 9.1.3 Tabelle für feuchte Luft.- 9.1.4 Das (hi+x, x)-Diagramm.- 9.2 Einfache Prozesse in feuchter Luft.- 9.2.1 Zuftihr von Wasser.- 9.2.2 Erwärmung.- 9.2.3 Mischen.- 9.2.4 Mischung feuchter Luft mit Nebel.- 9.3 Verdampfungsgrenze und Kühlgrenze.- 9.3.1 Massenbilanz und Verdampfungsgrenze.- 9.3.2 Energiebilanz und Kühlgrenze.- 9.4 Zwei instruktive Beispiele - Sauna und Wolkenuntergrenze.- 9.4.1 Eine Sauna wird klimatisiert.- 9.4.2 Wolkenuntergrenze.- 9.5 Faustregeln.- 9.5.1 Alternative Feuchteangaben.- 9.5.2 Trocken-adiabatischer Temperaturgradient.- 9.5.3 Die Wolkenuntergrenze. Abschätzung.- 9.6 Verdunstung.- 9.6.1 Der Druck von gesättigtem Dampf bei Gegenwart von Luft.- 9.6.2 Verdunstung.- 9.6.3 Zwei Beispiele ftir Verdunstung.- 10 Ausgesuchte Kapitel der Thermodynamik.- 10.1 Tropfen und Blasen.- 10.1.1 Verfiigbare Freie Energie.- 10.1.2 Notwendige und hinreichende Gleichgewichtsbedingungen.- 10.1.3 Verftigbare Freie Energie als Funkton des Radius.- 10.1.4 Keimbildungsbarriere ftir Tropfen.- 10.1.5 Keimbildungsbarriere ftir Blasen.- 10.1.6 Bewertung.- 10.2 Nebel und Wolken. Tropfen in feuchter Luft.- 10.2.1 Problemstellung.- 10.2.2 Verfiigbare freie Energie, Gleichgewichtsbedingungen.- 10.2.3 Wasserdampfdruck im Phasengleichgewicht.- 10.2.4 Die Form der verfügbaren freien Energie.- 10.2.5 Keimbildungsbarriere und Tropfenradius.- 10.3 Luftballons.- 10.3.1 Druck-Radius-Charakteristik.- 10.3.2 Stabilität eines Ballons.- 10.3.3 Ein anschauliches Argument zur Stabilität des Ballons.- 10.3.4 Gleichgewichte kommunizierender Ballons.- 10.4 Schall.- 10.4.1 Wellengleichung.- 10.4.2 Lösung der Wellengleichung, d'Alembert-Methode.- 10.4.3 Ebene harmonische Wellen.- 10.4.4 Ebene harmonische Schallwellen.- 10.5 Landau-Theorie der Phasenübergänge.- 10.5.1 Freie Energie und Last als Funktion von Temperatur und Dehnung. Phasenübergänge Erster und Zweiter Ordnung.- 10.5.2 Phasenübergänge Erster Ordnung.- 10.5.3 Phasenübergang Zweiter Ordnung.- 10.5.4 Phasenübergänge unter Last.- 10.5.5 Eine Bemerkung zur Klassifizierung von Phasenübergängen.- 10.6 Schwellen und Schrumpfen von Gelen.- 10.6.1 Phänomen.- 10.6.2 Freie Enthalpie.- 10.6.3 Schwellen und Schrumpfen als Funktion der Temperatur.- 10.7 Gedächtnislegierungen.- 10.7.1 Phänomene und Anwendungen.- 10.7.2 Ein Modell für Gedächtnislegierungen.- 10.7.3 Entropische Stabilisierung.- 10.7.4 Pseudoelastizität.- 10.7.5 Latente Wärme.- 10.7.6 Simulation einer Gedächtnislegierung.- Namen- und Sachverzeichnis.
