1.1 Thermodynamik aus der Perspektive des Ingenieurs
Die Menschheit hat sehr früh gelernt, Wärme zu nutzen. Schon vor 200.000 Jahren wärmten sich unsere Vorfahren am Holzfeuer. Wir Menschen sind die einzigen Lebewesen auf der Erde, die mit ihrer Entwicklung die Fähigkeit hervorgebracht haben, das Feuer zu bändigen und Wärme zielgerichtet zu nutzen. Die Erfolge unserer Zivilisation gründen sich darauf, dass Energien in Form von Wärme, Arbeit und später auch in Form von elektrischem Strom in immer größerem Maße nutzbar gemacht werden konnten. Wenn die Thermodynamik zunächst von der Untersuchung der mit Wärme verbundenen Erscheinungen ausging, so hat sie im Lauf ihrer Entwicklung längst den engen Rahmen einer Wärmelehre gesprengt. Die moderne Thermodynamik versteht sich heute als allgemeine Energielehre, die die Grundgesetze für Energie- und Stoffumwandlungen bereitstellt. Die hier angesprochenen Umwandlungsprozesse laufen in vielfältigen Maschinen und Anlagen ab (zum Beispiel in Kompressoren, in Gas- und Dampfturbinen, in Strahltriebwerken oder in Kühlaggregaten). Die in diesen Maschinen real ablaufenden Vorgänge sind in der Regel so komplex, dass sie sich einer detaillierten Beschreibung und Berechnungsmöglichkeit entziehen. Erst hinreichende Vereinfachungen der real gegebenen Verhältnisse gestatten quantitative Analysen. Die Technische Thermodynamik verwendet Modelle von besonders hohem Abstraktionsgrad. Sie verzichtet auf die Berücksichtigung der Vielfalt der einzelnen Konstruktionen sowie der Besonderheiten der fluiden Arbeitsmittel und konzentriert sich auf wesentliche, allgemein gültige Vorgänge. Insbesondere beruht die thermodynamische Analyse auf der Definition eines thermodynamischen Systems, seiner vereinfachten Beschreibung und der wiederum idealisierten Untersuchung der darin ablaufenden Prozesse. Zur idealisierten Untersuchung von Prozessen gehört eine Modellvorstellung von den verwendeten Arbeitsmitteln. Die thermodynamische Analyse konzentriert sich bei den Arbeitsmitteln auf die für den Energietransport wichtigen Medien. Dies sind vor allem Fluide (Flüssigkeiten, Dämpfe und Gase). Nur in Ausnahmefällen werden feste Stoffe betrachtet. Die Berechnung von Spannungen in Feststoffen infolge von Temperaturgradienten ist nach wie vor ein Teilgebiet der Mechanik.
Bei allen historisch gewachsenen Wissenschaften ist es stets schwierig, sie gegen Wissensgebiete in der Nachbarschaft klar abzugrenzen. Dies trifft ebenfalls auf die Thermodynamik zu, die sich immer auf allgemein gültige Gesetze aus Physik sowie Chemie gestützt hat, andererseits aber konkrete technische Fragestellungen aufgegriffen und durch diese wesentliche Entwicklungsimpulse erfahren hat. So betrachtet der in der Chemietechnik beheimatete Ingenieur (Verfahrenstechniker) die allgemeinen Aussagen der Thermodynamik unter dem Aspekt des Verhaltens von Stoffen in ihren jeweiligen Aggregatzuständen sowie der Energieumwandlungen bei chemischen Reaktionen und fasst die chemische Thermodynamik als übergeordnete Theorie zum allgemeinen Stoffverhalten auf.
Zur Erkenntnisgewinnung stehen der Thermodynamik zwei verschiedene Untersuchungsmethoden zur Verfügung. Die mikroskopische Betrachtungsweise stützt sich darauf, dass Stoffe aus einer sehr großen Anzahl von Teilchen (Atome, Moleküle, Ionen usw.) mit jeweils unterschiedlichen kinetischen und potentiellen Energien bestehen. Da im Allgemeinen nicht jedes Teilchen rechnerisch einzeln verfolgt werden kann, bedient man sich statistischer Methoden (statistische Thermodynamik). Wichtige Größen für die Erfassung von Vorgängen sind die in einer definierten Stoffmenge enthaltene Zahl von Teilchen (Avogadro- oder Loschmidt-Konstante), stoffabhängige Größen wie Teilchendurchmesser und Teilchenmasse sowie zustandsabhängige Größen wie Teilchendichte, mittlerer Teilchenabstand, mittlere freie Weglänge, mittlere Teilchengeschwindigkeit und mittlere Stoßfrequenz.
Die makroskopische Betrachtung beschreibt die physikalischen Eigenschaften von Raumbereichen, deren Abmessungen sehr viel größer sind als die mittlere freie Weglänge der Teilchen und arbeitet ausschließlich mit direkt messbaren Größen wie der Masse, dem Volumen, dem Druck oder der Temperatur. Die phänomenologische Thermodynamik (Phänomen = Erscheinung) ist die historisch ältere Art der Untersuchung und wird deshalb auch als klassische Methode bezeichnet. Sie geht von den (makroskopischen) Erscheinungen der Dinge aus, um ihre Erkenntnisse auf der Grundlage von Erfahrungen zu gewinnen. Zentrale Bedeutung haben der erste und zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Diese sind jeweils als Erfahrungstatsachen in Verbindung mit direkt messbaren Eigenschaften von Systemen formuliert.
Beide Betrachtungsweisen haben ihre wissenschaftliche Berechtigung. Die statistische Thermodynamik erklärt die Temperatur als zentrale Größe in der Thermodynamik aus der Brownschen Molekularbewegung (dauernde, ungeordnete Bewegung von Teilchen). Insbesondere bei einatomigen Gasen können die Teilchen kinetische Energie im Wesentlichen nur (beim theoretischem Modellstoff ideales Gas ausschließlich) durch translatorische Bewegung speichern. Für alle Teilchen, deren Geschwindigkeit in einem gewissen Spektrum unterschiedliche Werte annehmen, wird eine mittlere kinetische Energie ermittelt und dieser über den Gleichverteilungssatz eine Temperatur zugeordnet, so dass hohe Teilchengeschwindigkeiten gleichfalls hohen Temperaturen entsprechen. Beim Temperaturausgleich schieben schnellere Teilchen unter Energieabgabe langsamere an, bis alle Teilchen im Mittel gleich schnell sind (thermisches Gleichgewicht). Bei Energiezufuhr wachsen mit höherer Teilchengeschwindigkeit der Betrag des Impulses sowie die Zahl der Stöße an die Wand, was man auf makroskopischer Ebene in ein...
