Grundlagen der Physik
Hier findest du folgende Inhalte
Formeln
Vom Photon zum Foto - 3. Teil: Bildbetrachtung
Die Bildbetrachtung erfolgt mittels eines Bildschirmes oder mittels eines Ausdrucks.
Bildschirme
- Smartphone: Die überwiegende Anzahl an Fotos wird mittels der Kamera vom Smartphone gemacht, automatisch bearbeitet, als JPEG-Datei abgespeichert und am kleinen Bildschirm vom Smartphone betrachtet.
- Monitor: Der Unterschied zwischen Monitoren und TV-Geräten ist heute sehr klein geworden. Es gibt spezielle farbechte, kalibrierbare Monitore, während bei TV-Geräten eher Bilddiagonale, Spitzenhelligkeit und Audioqualität im Vordergrund stehen.
Ausdruck auf Papier
- Ausdrucke bis maximal DIN A2
- DIN A3 entspricht ca. einem Achtel Quadratmeter und eignet sich mit 21 x 29,7 cm für Fotobücher. Bei 300 dpi sind dafür 3508 x 4961 = 17,4 Megapixel erforderlich
- DIN A2 entspricht ca. einem Viertel Quadratmeter und eignet sich mit 42 x 59,4 cm für große Wandkalender. Bei 300 dpi sind dafür 4961 x 7016 = 34,8 Megapixel erforderlich
- Ausdrucke größer als DIN A2
- Ein Ausdruck von DIN A0 entspricht 84,1 x 118,9 cm und eignen sich mit 1 Quadratmeter für Werbeposter. Bei 300 dpi sind dafür 9933 x 14043 = 140 Megapixel erforderlich. Das ist die derzeitige Obergrenze an physikalischen Pixel auf einem Kamerasensor.
Zusammenhang zwischen der Auflösung des menschlichen Auges und der Anzahl der Pixel auf einem Kamerasensor
Die Auflösung des Auges, also die Fähigkeit feine Einzelheiten zu erkennen, bzw. die getrennte Auflösung zweier scheinbar *) eng beieinander liegender Objekte wird Trennschärfe oder Auflösungsvermögen genannt. Der Sehwinkel liegt beim menschlichen Auge bei ca. 1 Bogenminuten am Tag und beim doppelten Wert bei Nacht. Eine Auflösung von 1 Bogenminute wird vom Optiker als Visus 1,0 bezeichnet. *) "Scheinbar, weil in der Astronomie 2 Sterne die sehr weit hintereinander liegen, dennoch scheinbar eng nebeneinander liegen können.
Auf der gesamten Netzhaut des menschlichen Auges liegen 120 Millionen Stäbchen für die Helligkeitswerte und 6 Millionen Zapfen für die Farbwerte, somit ergäben sich 126 Megapixel. Geht man jedoch für scharfes Sehen von einem horizontalen Bildwinkel von 40°und einem vertikalen Bildwinkel von 30° und einer Auflösung von 1 Bogenminute (=0,016667°) aus, so entspricht dies
- (40°/0,016667°=) 2.400 Pixel horizontal
- (30°/0,016667°=) 1.800 Pixel vertikal
- also einem Kamerasensor mit (2.400 * 1.800=) 4,32 Megapixel.
Beispiel:
Welchen Abstand müssen 2 Punkte in 1m Entfernung haben, damit sie das Auge gerade noch als getrennt erkennen kann?
\(\eqalign{ & 1{\text{ Bogenminute}} = \frac{{1^\circ }}{{60}};{\text{ }}{\text{Entfernung}} = 1{\text{m; Abstand d = 2x = ?}} \cr & \tan \left( {\frac{{0,5^\circ }}{{60}}} \right) = \frac{{{\text{Gegenkathete}}}}{{{\text{Ankathete}}}} = \frac{x}{1} \cr & \cr & \tan \left( {\frac{{0,5^\circ }}{{60}}} \right) = \frac{x}{1} \to x = 1 \cdot \tan \left( {\frac{{0.5^\circ }}{{60}}} \right) \approx 0,000145{\text{m}} \to \cr & \cr & \to d = 2 \cdot x \approx 0,00029{\text{m}} \approx 0,29{\text{mm}} \cr} \)
Somit:
- In 1m Abstand kann das Auge daher 2 Punkte dann als getrennt wahrnehmen, wenn ihr Abstand größer als 0,29 mm beträgt.
- In 5m Abstand kann das Auge daher 2 Punkte dann als getrennt wahrnehmen, wenn ihr Abstand d > 1,45 mm beträgt.
Bei einem Visus=1 kann der Mensch in einem Abstand von 5m noch 1,5 mm kleine Details an einem Objekt erkennen. - In 100m Abstand kann das Auge daher 2 Punkte dann als getrennt wahrnehmen, wenn ihr Abstand größer als 2,9 cm beträgt.
- In 1km Abstand kann das Auge daher 2 Punkte dann als getrennt wahrnehmen, wenn ihr Abstand größer als 0,29 m beträgt.
Zusammenhang zwischen dem Dynamikumfang des menschlichen Auges, eines Kamerasensors und einem Monitor
Der Dynamikumfang ist ein Maß für den Helligkeitsunterschied zwischen der dunkelsten und der hellsten Stelle in einer Aufnahme und wird in Blendenstufen gemessen. Einer Blendenstufe entspricht eine Verdoppelung der Lichtmenge.
- 12 Blendenstufen eines professionellen Kamerasensors entsprechen daher einer ver-4.096-fachung der Lichtmenge von der dunkelsten zur hellsten Stelle im Bild.
- In der Natur beträgt der Unterschied zwischen einer von Sternenlicht ausgeleuchteten Landschaft im Unterschied zu einer von der prallen Sonne am Meer ausgeleuchteten Landschaft ca. 23 Blendenstufen, also der 8,3 millionenfachen Lichtmenge.
Die Iris bzw. die Pupille des Auges entspricht der Blende im Objektiv. Beide steuern wie viel Licht auf die Netzhaut bzw. den Kamerasensor fällt.
- Das menschliche Auge hat einen Dynamikumfang von 20 Blendenstufen, wobei das Auge folgenden Trick anwendet: Schaut man in die hellen Teile einer Szene, so blendet das Auge ab, indem es die Pupille, das ist das Loch in der Mitte der Iris, verkleinert. So wird die Lichtmenge reduziert und man kann Farbnuancen und Details in den hellen Bereichen erkennen. Fokussiert man in den dunklen Teil derselben Szene, so blendet das Auge auf, indem es die Pupille erweitert und man kann Farbnuancen und Details in den dunklen Bereichen erkennen. Im Gehirn entsteht so ein High-Dynamic-Range Abbild der Wirklichkeit.
- Der Sensor einer professionellen Digitalkamera hat bei Aufnahmen im RAW-Format einen Dynamikumfang
- von 12 Blendenstufen bei Einstellung auf ISO 100
- von 8 Blendenstufen bei ISO 1.600 und
- von 3,5 Blendenstufen bei Einstellung auf ISO 51.200.
- Der Sensor eines modernen Smartphones hat einen Dynamikumfang
- von 7 Blendenstufen bei Einstellung auf ISO 25 und
- von 4,5 Blendenstufen bei Einstellungen zwischen ISO 200 und ISO 1.600.
Bei einem hohen Dynamikumfang spricht man auch von einem hohen Kontrast im Bild. Bei Aufnahmesituationen mit zu hohem Kontrast kann man zwischen 2 Übeln wählen:
- Man belichtet die hellen Stellen (den Himmel) richtig und die dunklen Stellen (Bäume im Gegenlicht) „saufen ab“.
- Man belichtet auf die dunklen Stellen (die Landschaft) richtig und die hellen Stellen (Wolken im Himmel) „fressen aus“.
Dem Dynamikumfang einer Aufnahme kommt dreimal Bedeutung zu:
- Bei der Aufnahme (Sensor, gewähltes Datei-Speicherformat jpg oder RAW)
- Bei der Nachbearbeitung der RAW-Datei und deren Abspeicherung etwa als 32-Bit DNG-Datei.
- Bei der Wiedergabe der Datei mit der bearbeiteten Aufnahme am Monitor.
Grenzen des sinnvollen Dynamikumfangs bei High Dynamic Range - Bildern
Wenn der Sensor 12 Blendenstufen Dynamikumfang aufweist und man durch eine Belichtungsreihe noch 2x2 Blendenstufen in der HDRI-Bearbeitung hinzufügt, der Monitor aber keine (12+2+2=) 16 Blendenstufen darstellen kann, dann hat man nichts gewonnen. Daher werden HDR-Bilder nicht mit den 16 Blendenstufen abgespeichert, sondern mit weniger Blendenstufen, wobei aber in den Tiefen und Lichtern mehr Zeichnung erhalten bleibt, als sie bei einer regulären Einzelbelichtung vorhanden wären.
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Maßzahl, Größe und Einheit
Physikalische Größen sind das Produkt aus einer Maßzahl mit einer Einheit.
Größe = Maßzahl x Einheit
Maßzahl
Die Maßzahl gibt den Betrag (Menge, Stückzahl,...) als eine konkrete Zahl aus der Menge der reellen Zahlen an.
Basisgröße
Die Größe(nart) legt fest, um welche physikalische Größe es sich handelt. Es gibt sieben voneinander unabhängige Basisgrößen.
Abgeleitete Größe
Aus den sieben von einander unabhängigen Basisgrößen setzen sich alle anderen physikalischen Größen zusammen.
Basiseinheit
Jeder der sieben Basisgrößen ist eine Basiseinheit und ein Einheitenzeichen zugeordnet. Manche Basiseinheiten sind von anderen Basiseinheiten abhängig. So geht etwa in die Definition von der Basiseinheit "Meter" die Basiseinheit "Sekunde" ein. Die Einheit umfasst auch die Zehnerpotenz der Maßzahl. Zum Beispiel für 103 steht Kilo, für 106 steht Mega oder für 10-9 steht nano vor der eigentlichen Einheit.
Einheit
Einheiten dienen dazu Größen zu messen. Für abgeleitete Größen verwendet man Einheiten, die sich aus Basiseinheiten zusammen setzen.
Beispiel:
Zwei Holzstücke mit 7cm bzw. 7m Länge. Diese beiden physikalischen Größen setzen sich zusammen aus
- einer Maßzahl, die den Betrag angibt (in beiden Fällen "7")
- einer Größe(nart), die festlegt um welche Qualität es sich handelt (in beiden Fällen "Länge")
- einer Einheit, die festlegt wie der Betrag abzuzählen ist (im Beispiel "cm" bzw. "m")
Beispiel:
Vergleiche 7m, 7cm
Wir bringen auf die gleiche Einheit "m"
7cm = 0,07m
Nun können wir die Werte an Hand ihrer Zahlenwerte wie folgt vergleichen
7m > 0,07m=7cm
Ein Holzstück von 7m Länge ist länger als ein Holzstück mit einer Länge von 7cm.
7 SI Basisgrößen und ihre Basiseinheiten
Die 7 Basisgrößen sind von einander unabhängige Grundgrößen der Physik. SI steht für „Système international d’unités“, das ist das am weitesten verbreitete internationale Einheitensystem.
Basisgröße, Formelzeichen | Basiseinheit | Einheitszeichen |
Länge l | Meter | m |
Masse m | Kilogramm | kg |
Zeit t | Sekunde | s |
elektrische Stromstärke I | Ampere | A |
Temperatur T | Kelvin | K |
Stoffmenge n | Mol | mol |
Lichtstärke Iv | Candela | cd |
SI abgeleitete Größen und ihre Einheiten
Während die 7 Basisgrößen von einander unabhängig sind, haben daraus zusammengesetzte, sogenannte abgeleitete Größen entsprechende abgeleitete Einheiten. Wichtige abgeleitete Größen und ihre Einheiten sind
Abgeleitete physikalische Größe, Formelzeichen | Einheit | Einheitszeichen |
Fläche A | Quadratmeter | m² |
Volumen V | Kubikmeter | m³ |
Geschwindigkeit v | Kilometer pro Stunde | m/s |
Beschleunigung a | Meter pro Sekundenquadrat | m/s² |
mechanische Kraft F | Newton | N |
Frequenz f | Herz | Hz |
Arbeit W, Energie E, Wärmemenge Q | Joule | J |
mechanische Leistung P | Watt | W |
Druck p | Pascal | Pa |
Lichtstrom Φ | Lumen | lm |
Beleuchtungsstärke E | Lux | lx |
SI abgeleitete Größen und ihre Einheiten aus der Elektrotechnik
Während die 7 Basisgrößen von einander unabhängig sind, haben daraus zusammengesetzte, sogenannte abgeleitete Größen entsprechende abgeleitete Einheiten. Wichtige abgeleitete Größen und ihre Einheiten aus dem Gebiet der Elektrotechnik sind
Abgeleitete elektrotechnische Größe, Formelzeichen | Einheit | Einheitszeichen |
magnetische Feldstärke \({\overrightarrow H }\) | Ampere pro m | A/m |
elektrische Feldstärke \({\overrightarrow E }\) | Volt pro m | V/m |
Spannung U | Volt | V |
Arbeit W, Energie E | Joule | J |
elektrische Ladung Q | Coulomb | C |
elektrische Leistung P | Watt | W |
ohmscher Widerstand R | Ohm | \(\Omega\) |
elektrische Kapazität C | Farad | F |
magnetische Induktivität L | Henry | H |
magnetischer Fluss \(\Phi\) | Weber | Wb |
magnetische Flussdichte \({\overrightarrow B }\) | Tesla | T |
Physikalische Größen - Auswahl und Definition gemäß Formelsammlung AHS
Größe | Formel | Formel | Formel |
Dichte ρ | \(\rho = \dfrac{m}{v}\) | ||
Leistung P | \(P = \dfrac{{\Delta E}}{{\Delta t}}\) | \(P = \dfrac{{\Delta W}}{{\Delta t}}\) | \(P = \dfrac{{dW\left( t \right)}}{{dt}}\) |
Kraft F | \(F = m \cdot a\) | \(F = \dfrac{{dW}}{{ds}}\) | |
Arbeit | \(W = F \cdot s\) | \(W = \int {F\left( s \right)\,\,\operatorname{ds} }\) | |
kinetische Energie Ekin | \({E_{kin}} = \dfrac{{m \cdot {v^2}}}{2}\) | ||
potentielle Energie Epot | \({E_{pot}} = m \cdot g \cdot h\) | ||
gleichförmige geradlinige Bewegung v(t) | \(v = \dfrac{s}{t}\) | \(v = \dfrac{{ds}}{{dt}}\) | \(v\left( t \right) = s'\left( t \right) = \dfrac{{ds}}{{dt}}\) |
gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung a(t) | \(v = a \cdot t + {v_0}\) | \(a = \dfrac{{dv}}{{dt}}\) | \(a\left( t \right) = v'\left( t \right) = \dfrac{{dv}}{{dt}} = s''\left( t \right) = \dfrac{{{d^2}s}}{{d{t^2}}}\) |
Bewegungsvorgänge - Auswahl und Definition gemäß Formelsammlung BHS
Größe | Formel |
Zeit t | \(t\) |
Weg-Zeit-Funktion s(t) | \(s\left( t \right) = \int {v\left( t \right)} \,\,dt\) |
Geschwindigkeit-Zeit-Funktion v(t) | \(v(t) = s'\left( t \right) = \mathop s\limits^ \bullet = \dfrac{{ds}}{{dt}} = \int {a\left( t \right)} \,\,dt\) |
Beschleunigung-Zeit-Funktion a(t) | \(a\left( t \right) = s''\left( t \right) = \mathop s\limits^{ \bullet \bullet } = \dfrac{{{d^2}s}}{{d{t^2}}} = v'\left( t \right) = \mathop v\limits^ \bullet = \dfrac{{dv}}{{dt}}\) |
Anmerkung zur auf Universitäten üblichen Kurzschreibweise von "Ableitungen nach der Zeit": Die Notation mit einem "Punkt" über dem Formelzeichen bedeutet, dass es sich um die 1 Ableitung nach der Zeit handelt. Zwei "Punkte" bedeuten, dass es sich um die 2. Ableitung nach der Zeit handelt.
Größen und ihre Einheiten - Auswahl gemäß Formelsammlung AHS
Größe | Einheit | Symbol | Beziehung zu SI-Einheiten |
Temperatur T | Grad Celsius Grad Kelvin |
°C K |
\(\Delta t = \Delta T\) |
Frequenz f | Hertz | Hz | \(1 \cdot Hz = 1 \cdot {s^{ - 1}}\) |
Arbeit W, Energie E, Wärmemenge Q | Joule | J | \(1 \cdot J = 1 \cdot kg \cdot {m^{2}}\cdot s^{ - 2}\) |
Kraft F | Newton | N | \(1 \cdot N = 1 \cdot kg \cdot m \cdot {s^{ - 2}}\) |
Drehmoment M | Newtonmeter | \(N \cdot m\) | \(1 \cdot N \cdot m = 1 \cdot kg \cdot {m^2} \cdot {s^{ - 2}}\) |
Elektrischer Widerstand R | Ohm | \(\Omega\) | \(1 \cdot \Omega = 1 \cdot V \cdot {A^{ - 1}} = 1 \cdot kg \cdot {m^2} \cdot {A^{ - 2}} \cdot {s^{ - 3}}\) |
Druck p | Pascal | Pa | \(1 \cdot Pa = 1 \cdot N \cdot {m^{ - 2}} = 1 \cdot kg \cdot {m^{ - 1}} \cdot {s^{ - 2}}\) |
Elektrische Stromstärke I | Ampere | A | \(1 \cdot A = 1 \cdot C \cdot {s^{ - 1}}\) |
Elektrische Spannung U | Volt | V | \(1 \cdot V = 1 \cdot J \cdot {C^{ - 1}} = 1 \cdot kg \cdot {m^2} \cdot {A^{ - 1}} \cdot {s^{ - 3}}\) |
Leistung P | Watt | W | \(1 \cdot W = 1 \cdot J \cdot {s^{ - 1}} = 1 \cdot kg \cdot {m^2} \cdot {s^{ - 3}}\) |
Temperatur T
Die Temperatur T ist eine skalare Zustandsgröße einen Körpers, gemessen in °C oder K, und ist unabhängig von dessen Größe oder Masse. Die Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Moleküle eines Körpers, man kann auch sagen, sie ist ein Maß für die Stärke der atomaren Unruhe. Die Menge der atomaren Unruhe bezeichnet man hingegen als Entropie.
\({E_{kin}} = \dfrac{3}{2} \cdot kT = \dfrac{1}{2}m{v^2}\)
p | Druck in bar |
V | Volumen des Gases in m³ |
N | Teilchenzahl |
k | Bolzmann-Konstante k=1,381.10-23 J/K |
R | universelle Gaskonstante \(R = 8,314\,\,\dfrac{J}{{mol \cdot K}}\) |
T | Absolute Temperatur in K |
Q | Wärme bzw. Wärmemenge in Joule |
H | Enthalpie oder Wärmeinhalt eines Systems in Joule |
S | Entropie als Maß für die Unordnung in J/K |
U | innere Energie eines Systems (Reaktionswärme) in Joule |
n | Stoffmenge in mol |
c | Substanzabhängige, spezifische Wärmekapazität in \(\dfrac{J}{{kg \cdot K}}\) |
m | Masse der Substanz in kg |
TE | Endtemperatur in K |
TA | Anfangstemperatur in K |
Wärme Q
Wärme ist eine Prozessgröße und bezeichnet die Energie die zwischen 2 Systemen unterschiedlicher Temperatur bei Wärmekontakt ausgetauscht wird, bis die Mischtemperatur vorliegt, ohne dass Arbeit verrichtet wird. Die Einheit der Wärme ist das Joule.
Wärmemenge Q
Die Wärmemenge Q ist erforderlich, um eine Substanz mit der spezifischen Wärmekapazität c um eine bestimmte Temperaturdifferenz (TE-TA) zu erwärmen. Je größer die Temperaturdifferenz, umso mehr Wärmemenge muss man zuführen. Die materialabhängige Wärmekapazität ist ihrerseits temperaturabhängig.
\(Q = c \cdot m \cdot \left( {{T_E} - {T_A}} \right)\)
Typische Wärmekapazitäten betragen:
\(\eqalign{
& {\text{Luft: }}710 \cdot \dfrac{J}{{kg \cdot K}} \cr
& {\text{Wasser: }}4000 \cdot \dfrac{J}{{kg \cdot K}} \cr
& {\text{Wasserstoff: 14}} \cdot \dfrac{J}{{kg \cdot K}} \cr
& \cr} \)
Der Wärmeenergieinhalt pro kg Luft bei 300K = 27°C errechnet sich zu: 710x300 = 213.000 J
Innere Energie U
Die innere Energie entspricht der Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems. Als solche ist sie konstant. Bei einem idealen Gas hängt die innere Energie nur von der Temperatur des Gases ab. Die Einheit der inneren Energie ist das Joule.
\(\begin{array}{l} U = \dfrac{3}{2} \cdot N \cdot k \cdot T\\ \Delta U = 0 = \Delta Q + \Delta W \end{array}\)
Enthalpie H
Die Enthalpie H ist das Maß für den Wärmeinhalt eines Systems. Sie setzt sich zusammen aus der inneren Energie und der sogenannten Volumensarbeit. Das ist die Arbeit die gegen den Druck zu verrichten ist, um das Volumen zu verändern. Die Einheit der Enthalpie ist das Joule.
\(H = U + p \cdot V\)
Entropie S
Die Entropie S ist eine fundamentale thermodynamische Zustandsgröße, deren Einheit Joule pro Kelvin ist. Sie hängt als mengenartige Eigenschaft eines Körpers von dessen Größe, Masse, Temperatur ab. Man kann sagen sie ist ein Maß für die Menge der atomaren Unruhe in einem Körper. Die Stärke der atomaren Unruhe kennen wir als Temperatur. Die in einem System gespeicherte Entropie ändert sich bei der Aufnahme oder Abgabe von Wärme Q.
\(\Delta S = \dfrac{{\Delta Q}}{T} = k.\ln W\)
W ist die thermodynamische Wahrscheinlichkeit.
D.h. man kann Entropie aus einem System heraus und in ein anderes System hineinleiten. Dann wird der erste Gegenstand kälter und der zweite Gegenstand wärmer. Ohne Entropie gibt es weder Temperatur noch Wärme.
Entropie verteilt sich in einem gleichförmigen Körper von selbst gleichmäßig. Entropie kann durch Energiezufuhr leicht erzeugt werden, sie kann aber nur abgeleitet werden, niemals aber abnehmen. Der Vorgang von Entropie-Erzeugung ist irreversibel. Entropie ist ein Maß für die Menge an atomarer Unordnung hinsichtlich Lage und Bewegung in einem Körper.
Bolzmann-Konstante k
Die Bolzmann Konstante k erlaubt die Berechnung der mittleren thermischen Energie eines Teilchens aus dessen Temperatur. Die Einheit der Bolzmann-Konstante ist Energie gebrochen durch Temperatur.
k=1,381.10-23 J/K.
Ideales Gasgesetz
Die Bolzmann-Konstante kommt auch im idealen Gasgesetz vor. Das ideale Gasgesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Druck und Volumen auf der einen Seite sowie der Temperatur und der Stoffmenge auf der anderen Seite.
\(p \cdot V = N \cdot k \cdot T = n \cdot R \cdot T\)
Boyle-Mariotte'sches Gasgesetz
Das Gasgesetz von Boyle und Mariotte besagt, dass Druck und Volumen eines idealen Gases indirekt proportional zu einander sind, wenn die Temperatur und die Teilchenanzahl des Gases unverändert bleibt. So geht die Halbierung des Volumen mit einer Verdoppelung vom Druck einher.
\({\rm{p}} \cdot {\rm{V = const}}\)
Absoluter Nullpunkt der Temperatur
Der „absolute Nullpunkt der Temperatur“ liegt bei 0K = -273,12°C. Kälter geht es nicht, denn dann haben alle Teilchen Null als kinetische Energie bzw. ist der Druck eines idealen Gases ebenfalls Null.
Nach oben hat die Temperatur anscheinend keine Grenze. An der Sonnenoberfläche beträgt sie 8.000 K im Sonneninneren 15 Millionen K und am höchsten war die Temperatur am Zeitpunkt der kleinsten physikalisch sinnvollen Zeitangabe nach dem Urknall, zur sogenannten Planck-Zeit mit 10-43 Sekunden, wobei damals die Planck-Temperatur von 1032 K herrschte.
0°C = Schmelzpunkt des Wassers;
100°C = Siedepunkt des Wassers;
Thermometer
Thermometer messen physikalische Größen (Länge von Metall) die sich mit der Temperatur ändern.
Thermodynamik
Die früher Wärmelehre genannte Thermodynamik beschäftigt sich mit Prozessen der Energieumwandlung sowie mit Zustandsänderungen von Körpern wenn Wärme zu- oder abgeführt wird. Ihre Basis sind die 4 Hauptsätze der Thermodynamik. Da der grundlegendste Hauptsatz nach den ersten drei Hauptsätzen entdeckt wurde, trägt er die Nummer Null.
0. Hauptsatz der Thermodynamik
Zwei Systeme die sich in thermodynamischen Gleichgewicht mit einem dritten System befinden, sind auch untereinander in thermodynamischen Gleichgewicht. Zwei mit einander in Kontakt stehender Systeme haben nach allfälligen Ausgleichsvorgängen die gleiche Temperatur.
1. Hauptsatz der Thermodynamik
Die Änderung der inneren Energie eines geschlossenen Systems ist gleich der Summe aus der Änderung der Wärme und der Änderung der Arbeit. Die innere Energie eines geschlossenen Systems ist konstant. \(\Delta U = \Delta Q + \Delta W\). In einem geschlossenen System kann der Gesamtbetrag der Energie weder vergrößert noch verkleinert werden. Es können lediglich die verschiedenen Energiearten ineinander umgewandelt werden. Ein Perpetuum Mobile 1 Art, also eine Vorrichtung die ohne äußerer Energiezufuhr in ständiger Bewegung bleibt, ist unmöglich.
Der 1. thermodynamische Hauptsatz (Energieerhaltungssatz) besagt, dass in einem abgeschlossenem physikalischen System Energie weder erzeugt noch vernichtet, sonder nur in eine andere Energieform umgewandelt werde kann. Die Differenz von zugeführter und nutzbarer Leistung ergibt die Verlustleistung, die meist über Reibung in Wärmeleistung umgewandelt und abgegeben wird.
\({P_{{\text{Verlust}}}} = {P_{{\text{zugef}}{\text{.}}}} - {P_{{\text{Nutz}}}}\)
Die Änderung der inneren Energie eines abgeschlossenen Systems ist gleich der Summe der Änderung der enthaltenen Wärme und der Änderung der Arbeit:
\(\Delta U = \Delta Q + \Delta W\)
2. Hauptsatz der Thermodynamik
Wärmeenergie kann von selbst nur von Materie mit hoher Temperatur auf Materie mit niedriger Temperatur übertragen werden. Im thermodynamischen Gleichgewicht hat ein System eine möglichst große Entropie (Sie ist eine Größe, mit deren Hilfe man die Irreversibilität eines Vorganges kennzeichnen kann). Die Entropie \(S = S\left( {p,V,T} \right)\) eines abgeschlossenen Systems wird nie von alleine kleiner. Ein Perpetuum Mobile 2. Art, welches die vollständige Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie erlaubt, ist unmöglich
3. Hauptsatz der Thermodynamik
Der 3. Hauptsatz besagt, dass es keinen Prozess gibt, mit dem es möglich ist, selbst mit unendlich vielen Schritten, den absoluten Nullpunkt zu erreichen. \(\mathop {\lim }\limits_{T \to 0} \Delta S = 0\). Bei der Annäherung an den absoluten Nullpunkt konvergiert die Entropie gegen Null.