ein Zweig der Physik, der den Austausch und die Umwandlung von Energie in makroskopischen Systemen, insbesondere in Form von Wärme und Arbeit, untersucht
Formel für die innere Energie eines idealen einatomigen Gases: U = (3/2)·n·R·T = (3/2)·p·V — hängt von Stoffmenge, Temperatur, Druck und Volumen ab
Die innere Energie ist die kinetische Energie aller Teilchen innerhalb des Systems. Die Formeln sind für ein ideales einatomiges Gas anwendbar. Für den allgemeineren Fall wird U = (i/2)·n·R·T verwendet, wobei i die Anzahl der Freiheitsgrade ist.
Formel für die Änderung der inneren Energie: ΔU = (3/2)·(m/μ)·R·ΔT für ein einatomiges Gas oder ΔU = (i/2)·(m/μ)·R·ΔT für jedes ideale Gas mit i Freiheitsgraden
Die Formel gibt die Änderung der inneren Energie beim Erhitzen oder Abkühlen an. Der erste Ausdruck gilt für ein einatomiges Gas, der zweite ist eine universelle Form. ΔT — Temperaturänderung; i — Anzahl der Freiheitsgrade der Substanz.
Formel für Gasarbeit bei Volumenänderung: A = p·ΔV — Produkt aus Druck und Volumenänderung
Arbeit ist positiv, wenn sich das System ausdehnt (ΔV > 0). Dieser Ausdruck ist bei konstantem Druck gültig.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik: Q = ΔU + A — die dem System zugeführte Wärmemenge geht in die Änderung seiner inneren Energie und die Verrichtung von Arbeit ein
Die vom System aufgenommene Wärme Q geht in die Änderung seiner inneren Energie ΔU
und in die Verrichtung von Arbeit A gegen äußere Kräfte über.
Wenn Q > 0 — Wärme tritt in das System ein; Q < 0 — das System verliert Wärme.
A > 0 — das System dehnt sich aus und verrichtet Arbeit; A < 0 — das System wird komprimiert.
Formel für Wärmemenge: Q = c·m·ΔT oder Q = C·n·ΔT — hängt von Masse oder Stoffmenge, Wärmekapazität und Temperaturänderung ab
Die Formeln werden zur Berechnung der Wärme beim Erhitzen von Substanzen verwendet: c — spezifische Wärmekapazität, m — Masse, C — molare Wärmekapazität, n — Stoffmenge. ΔT — Temperaturdifferenz (End- minus Anfangstemperatur).
Formel für den Wirkungsgrad einer Wärmemaschine: η = A / Q₁ = (Q₁ - Q₂) / Q₁ = 1 - Q₂ / Q₁ — zeigt, welcher Anteil der aufgenommenen Wärme in nützliche Arbeit umgewandelt wird
Der Wirkungsgrad ist der Anteil der aufgenommenen Wärme, der in nutzbare Arbeit umgewandelt wird. Q₁ — Wärmemenge, die vom heißen Reservoir aufgenommen wird; Q₂ — Wärmemenge, die an das kalte Reservoir abgegeben wird. Je kleiner Q₂, desto höher der Wirkungsgrad der Maschine.
Formel für den Carnot-Kreisprozess-Wirkungsgrad: η = (T₁ - T₂) / T₁ = 1 - T₂ / T₁ — maximaler theoretischer Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, die zwischen zwei Temperaturen arbeitet
Der Carnot-Kreisprozess ist ein idealer reversibler Prozess, bestehend aus zwei isothermalen und zwei adiabatischen Stufen. Sein Wirkungsgrad hängt nur von den Temperaturen des heißen Reservoirs (T₁) und des kalten Reservoirs (T₂) ab und nicht von der Art des Arbeitsmediums. Die Formel zeigt den maximalen theoretischen Wirkungsgrad, der bei gegebenen Temperaturen erreichbar ist.
Formel für Wärmemenge beim Schmelzen oder Gefrieren: Q = λ·m — Produkt aus spezifischer Schmelzwärme und Masse der Substanz
λ — spezifische Schmelzwärme (oder Kristallisationswärme); m — Masse der Substanz. Die Formel gibt die Wärmemenge an, die für einen Übergang zwischen festem und flüssigem Zustand bei konstanter Temperatur erforderlich ist.
Formel für Wärmemenge beim Verdampfen oder Kondensieren: Q = r·m — Produkt aus spezifischer Verdampfungswärme (oder Kondensationswärme) und Masse der Substanz
r — spezifische Verdampfungswärme (oder Kondensationswärme); m — Masse der Substanz. Wärme wird nicht zum Erhitzen verwendet, sondern zur Änderung des Aggregatzustands — von flüssig zu gasförmig oder umgekehrt.