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Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Die innere Energie U ist die gesamte Energie der Teilchen in einem System. Sie kann sich nur auf zwei Arten ändern: durch Wärme Q (Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds fließt) und durch Arbeit W (Energie, die eine Kraft überträgt, zum Beispiel an einem beweglichen Kolben). Erster Hauptsatz: ΔQ = ΔU + ΔW. Zugeführte Wärme erhöht zum Teil die innere Energie und lässt das Gas zum Teil Arbeit verrichten. Die Arbeit eines Gases bei konstantem Druck ist PΔV. Für ein ideales Gas gilt Cp − Cv = R.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Gas in einem Zylinder. Die blauen Kugeln sind Teilchen. Ihre gesamte Bewegungsenergie ist die innere Energie U. Der Balken rechts zeigt U.
  2. Der Kolben ist festgestellt. Eine Flamme liefert Wärme Q. Das Gas kann nichts schieben, also geht das ganze Q in U. Die Teilchen werden schneller. ΔU = Q.
  3. Jetzt gibt es keine Flamme, und die Wände sind isoliert. Wir drücken den Kolben nach unten. Auch Arbeit am Gas erhöht U. Wärme ist nicht der einzige Weg, ein Gas zu erwärmen.
  4. Der Kolben ist frei, die Flamme brennt. Die Wärme Q teilt sich in zwei Teile: ΔU (das Gas wird heißer) und W (das Gas hebt den Kolben). Q = ΔU + W. Das ist der erste Hauptsatz.
  5. Arbeit des Gases: Der Kolben steigt um Δh, das Volumen wächst um ΔV = AΔh. Bei gleichbleibendem Druck P ist W = PΔV. Bei konstantem Druck braucht man für diese Arbeit zusätzliche Wärme, darum ist Cp größer als Cv.
  6. Du bist dran: Stelle die Wärme Q ein und wie weit der Kolben steigen darf. Sieh zu, wie die drei Balken immer im Gleichgewicht bleiben: Q = ΔU + W.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Enthält ein heißes Gas mehr Wärme?

Ein heißes Gas hat mehr innere Energie. "Wärme" ist nur die Energie, die hinein- oder herausfließt. Sieh zu, wie der U-Balken wächst, wenn die Flamme brennt.

Wie kann ein Gas ohne Flamme heiß werden?

Indem man Arbeit an ihm verrichtet. Wenn du den Kolben hineindrückst, bekommen die Teilchen Energie, also steigt U auch bei isolierten Wänden.

Wohin geht die Wärme, wenn der Kolben frei ist?

Ein Teil erhöht U, ein Teil hebt den Kolben als Arbeit. Die beiden Balken ergeben zusammen den Wärmebalken.

Warum ist die Arbeit gleich PΔV?

Die Kraft auf den Kolben ist P × A; er bewegt sich um Δh; Arbeit = P × A × Δh = P × ΔV.

Warum ist Cp größer als Cv?

Bei konstantem Druck verrichtet das Gas auch Arbeit, indem es den Kolben hebt, also braucht man für denselben Temperaturanstieg zusätzliche Wärme.

Kann ΔU negativ sein, obwohl Wärme zugeführt wird?

Ja, wenn das Gas mehr Arbeit verrichtet, als es Wärme aufnimmt. Probiere im Schritt mit freiem Spiel ein kleines Q und einen großen Hub.

Innere Energie

Jedes Gas besteht aus winzigen Teilchen, die sich ständig bewegen. Die innere Energie U ist die gesamte Energie aller dieser Teilchen (Bewegungsenergie und, bei echten Gasen, die Energie ihrer gegenseitigen Anziehung). Die Bewegung des ganzen Behälters gehört nicht dazu.

Bei einem idealen Gas hängt U nur von der Temperatur ab. Heißeres Gas → schnellere Teilchen → größeres U.

U ist eine Zustandsgröße: Sie hängt nur vom jetzigen Zustand ab, nicht von der Vorgeschichte.

Wärme und Arbeit: zwei Wege, U zu ändern

Wärme (Q) ist Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds zwischen System und Umgebung fließt. Eine Flamme erwärmt das Gas.

Arbeit (W) ist Energie, die eine Kraft über eine Strecke überträgt, ohne dass ein Temperaturunterschied nötig ist. Ein Kolben, den deine Hand hineindrückt, erwärmt das Gas.

Wärme und Arbeit sind nicht in einem Körper "gespeichert". Sie sind Energie auf dem Weg. Ein Körper hat innere Energie; er "hat" nicht Wärme oder Arbeit. Darum sind Q und W keine Zustandsgrößen: Sie hängen vom Weg ab.

Joule zeigte, dass eine bestimmte Menge Arbeit immer dieselbe Erwärmung bewirkt wie eine bestimmte Menge Wärme. Wärme ist also nur eine Form von Energie und wird in Joule gemessen (1 cal = 4,186 J).

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz ist der Energieerhaltungssatz für Wärme und Arbeit:

ΔQ = ΔU + ΔW

Vorzeichenregeln (wie in der Physik üblich)

(Manche Chemiebücher schreiben ΔU = q + w, wobei w die Arbeit am Gas ist. Es ist derselbe Satz mit umgekehrtem Vorzeichen für W.)

Sonderfälle: Bei einem Kreisprozess ist ΔU = 0, also Q = W. Wenn keine Wärme zugeführt wird (isoliert), gilt ΔU = −W.

Arbeit eines Gases: W = PΔV

Ein Gas mit dem Druck P schiebe einen Kolben mit der Fläche A um eine kleine Strecke Δx. Die Kraft ist PA, also ist die Arbeit PA × Δx. Aber A × Δx ist die Volumenzunahme ΔV. Also gilt

W = P ΔV (wenn P konstant bleibt)

Ändert sich P, so ist W die Fläche unter der P–V-Kurve. Expansion (ΔV > 0) → das Gas verrichtet positive Arbeit. Kompression → negative Arbeit.

Spezifische Wärmekapazitäten eines Gases und Cp − Cv = R

Die molare Wärmekapazität ist die Wärme, die man braucht, um 1 mol um 1 K zu erwärmen. Bei einem Gas hängt sie davon ab, wie wir erwärmen.

Herleitung von Cp − Cv = R (Mayer-Beziehung)

Wir erwärmen 1 mol bei konstantem Druck um ΔT. Erster Hauptsatz: CpΔT = ΔU + PΔV.

ΔU ist dasselbe wie bei konstantem Volumen (U hängt nur von T ab): ΔU = CvΔT.

Aus PV = RT bei konstantem P folgt: PΔV = RΔT.

Also CpΔT = CvΔT + RΔT, und das ergibt Cp − Cv = R.

Prüfungstipp: Diese Herleitung (2–3 Punkte) und Rechenaufgaben zu ΔQ = ΔU + ΔW kommen fast jedes Jahr dran.

Zum Ausprobieren zu Hause

Reibe deine Handflächen 10 Sekunden lang schnell aneinander. Sie fühlen sich warm an. Du hast Arbeit verrichtet, und sie wurde zu innerer Energie. Pumpe nun zehnmal einen Fahrradreifen auf und fasse den Boden der Pumpe an: wieder warm. Arbeit an der Luft erhöht ihr U, genau wie Wärme.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Ein Gas nimmt 500 J Wärme auf und verrichtet 200 J Arbeit. Bestimme die Änderung der inneren Energie.

ΔU = ΔQ − ΔW = 500 − 200 = 300 J. Die innere Energie steigt um 300 J.

2. An einem Gas werden 800 J Arbeit verrichtet, und es gibt 300 J Wärme ab. Bestimme ΔU.

Arbeit am Gas: ΔW = −800 J. Abgegebene Wärme: ΔQ = −300 J. ΔU = ΔQ − ΔW = −300 − (−800) = +500 J.

3. Ein Gas dehnt sich bei konstantem Druck von 2 × 10⁵ Pa von 1 L auf 4 L aus. Bestimme die Arbeit, die es verrichtet.

ΔV = 3 L = 3 × 10⁻³ m³. W = PΔV = 2 × 10⁵ × 3 × 10⁻³ = 600 J.

4. Im Beispiel oben nahm das Gas außerdem 1500 J Wärme auf. Wie stark änderte sich seine innere Energie?

ΔU = ΔQ − ΔW = 1500 − 600 = 900 J.

5. 2 mol eines idealen Gases werden bei konstantem Volumen von 300 K auf 350 K erwärmt. Cv = 20.8 J mol⁻¹ K⁻¹. Bestimme die zugeführte Wärme.

Bei konstantem Volumen ist W = 0, also ΔQ = ΔU = nCvΔT = 2 × 20.8 × 50 = 2080 J.

6. Dieselben 2 mol werden bei konstantem Druck von 300 K auf 350 K erwärmt. Bestimme die nötige Wärme und die verrichtete Arbeit (R = 8.3).

Cp = Cv + R = 29.1 J mol⁻¹ K⁻¹. ΔQ = nCpΔT = 2 × 29.1 × 50 = 2910 J. ΔU = 2080 J (wie vorher). W = ΔQ − ΔU = 830 J. Kontrolle: nRΔT = 2 × 8.3 × 50 = 830 J. ✓

7. Ein Gas durchläuft einen vollen Kreisprozess und kehrt in den Anfangszustand zurück. Insgesamt nimmt es 1200 J auf. Wie viel Nettoarbeit verrichtet es?

Im Kreisprozess ist ΔU = 0 (U ist eine Zustandsgröße). Also ist ΔW = ΔQ = 1200 J.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik beruht auf der Erhaltung von:
2. Ein Gas nimmt 100 J auf und verrichtet 40 J Arbeit. ΔU ist:
3. Was ist eine Zustandsgröße?
4. Bei konstantem Volumen ist die Arbeit des Gases:
5. Für ein ideales Gas ist Cp − Cv gleich:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik in einfachen Worten?

Energie geht nie verloren. Wärme, die einem System zugeführt wird, erhöht seine innere Energie und wird zu der Arbeit, die es verrichtet: ΔQ = ΔU + ΔW.

Was ist innere Energie?

Die gesamte Energie der Teilchen in einem System. Bei einem idealen Gas hängt sie nur von der Temperatur ab.

Warum gilt Cp − Cv = R?

Bei konstantem Druck verrichtet das Gas zusätzlich die Arbeit PΔV = RΔT pro Mol, also braucht es R mehr Wärme pro Mol und Kelvin.

Wo das unterrichtet wird

ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªClassical physics
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ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªClassical physics
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PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIThermodynamics
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RomaniaClasa a X-aElements of thermodynamics
Spain1º BachilleratoEnergy
Ukraine10 класMolecular physics and thermodynamics
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CBSE (India)Class 11Chemical Thermodynamics
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England (GCSE, A level)Year 133.11 Engineering physics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Thermodynamics and Electrochemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Thermodynamics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Energy
South Korea고등학교 2학년Heat and energy
South Korea고등학교 3학년Western science
South Korea고등학교 3학년Mechanical interactions
FranceTerminaleEnergy
FranceTerminalePhysics-chemistry: Energy conversions and transfers
FranceTerminaleLab sciences: Systems and processes
Russia10 классThermodynamics and heat engines
Russia10 классThermodynamics
China高三Selective 3 Ch.3 Laws of thermodynamics

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