Inhaltsübersicht
3. Thermodynamische Potenziale
Kapitel 1: Grundbegriffe
Als thermodynamisches System bezeichnen wir jedes makroskopische System, das aus sehr vielen Elementargebilden (Atomen, Elektronen, Photonen, Feldmoden, ……) aufgebaut ist. Thermodynamische Systeme sind also Systeme mit sehr vielen Freiheitsgraden, deren Mikrozustände uns jedoch hier nicht interessieren.
Ein wichtiger Aspekt der thermodynamischen Systeme besteht in der Möglichkeit ihrer Abgrenzung gegen die Umgebung durch Wände wodurch Wechselwirkungen zwischen System und Umgebung ganz oder teilweise ausgeschlossen werden.
Kapitel 2: Hauptsätze
Es ist ungeheuer schwierig, den Begriff der Wärme im Rahmen der phänomenologischen Thermodynamik mit einem hinreichenden Maß an logischer Exaktheit einzuführen. Das wird uns in der Statistischen Mechanik wesentlich glatter gelingen. In der Thermodynamik bleibt es gewissermaßen bei einem gefühlsmäßigen Selbstverständnis dieses Begriffs.
Der Erste Hauptsatz, den wir in diesem Abschnitt formulieren wollen, macht eine Aussage über das Wesen der Wärme. Die Erfahrung zeigt, dass man die Temperatur eines Systems ändern kann, ohne an diesem im oben definierten Sinn Arbeit zu leisten. Ein wesentlicher Bestandteil des Ersten Hauptsatzes ist deshalb die Aussage:
‘‘Wärme’’ = Energieform.
Diese Energieform nimmt das System auf bzw. gibt es ab, wenn es seine Temperatur ändert, ohne dass an ihm oder von ihm Arbeit geleistet wird.
Die kinetische Gastheorie interpretiert Wärme als Bewegungsenergie der Gasmoleküle, wobei der Unterschied zur kinetischen Energie makroskopischer Körper in der Unordnung besteht. Ein Beispiel möge dies erläutern. Bewegt sich ein gasgefüllter Luftballon, so interpretieren wir die Bewegungsenergie des Schwerpunktes als kinetische Energie des makroskopischen Systems. Hinzu kommt dann aber noch die ungeordnete Bewegung der Gasmoleküle innerhalb des Ballons, die als Wärme gedeutet wird. Ein Wesensmerkmal dieser Energieform ist also die Unordnung. Sie ist deshalb sinnvoll auch nur für Viel-Teilchen-Systeme definierbar.
Kapitel 3: Thermodynamische Potenziale
Kapitel 4: Phasen, Phasenübergänge
Wir haben in Abschn. 3.7 Gleichgewichtsbedingungen für thermodynamische Systeme abgeleitet. Diese Betrachtungen lassen sich noch weiter verallgemeinern. Im Rahmen eines Gedankenexperiments hatten wir das Gesamtsystem in zwei fiktive Teilsysteme zerlegt und damit eine einfache Nichtgleichgewichtssituation geschaffen. Auf diese reagiert das System in gesetzmäßiger Weise und liefert dadurch Informationen über das Verhalten bestimmter Zustandsgrößen im Gleichgewicht. Eine solche Aufteilung des Systems realisieren wir nun unter Vermeidung von Trennwänden durch verschiedene, nebeneinander existierende ein und desselben thermodynamischen Systems. Als Phasen bezeichnet man die möglichen, unterschiedlichen Zustandsformen einer makroskopischen Substanz, z. B. die verschiedenen Aggregatzustände: fest, flüssig, gasförmig. In den einzelnen Phasen können gewisse makroskopische Observable, wie z. B. die Teilchendichte, ganz unterschiedliche Werte annehmen.