Zusammenfassung
Nun folgen wir dem Weg der Physik in komplexe Systeme aus vielen Atomen oder Molekülen. Zunächst betrachten wir den sehr erfolgreichen Zugang der Thermodynamik, die ohne Kenntnis über die mikroskopische Struktur eines Systems sehr nützliche Aussagen über den Übergang zwischen Gleichgewichten machen kann. Praktisch unsere gesamte, groß-skalige Energietechnologie beruht auf solchen Aussagen. Als Anwendung betrachten wir die Effizienz von Kraftwerken undWärmepumpen. In der Thermodynamik steckt nur eine einzige neue Größe, die darüber entscheidet, ob man einen Gleichgewichtszustand von einem anderen aus erreichen kann. Diese Größe heißt Entropie. Anschließßend versuchen wir, die Aussagen über ein System aus vielen Teilchen aus mikroskopischen Naturgesetzen zu erhalten. Das scheitert aus zwei Gründen: an der schieren Masse an Daten und am Chaos. Daher benutzt die Physik eine Wahrscheinlichkeitsbeschreibung. Wärme ist in dieser Beschreibung die Bewegungsenergie der Teilchen. Die verloren gegangene Information über den Mikro-Zustand taucht als Entropie wieder auf und beschränkt die Energie, die man in Arbeit verwandeln kann.
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Notes
- 1.
Wenn man das Atomgewicht ganz genau definieren will, muss man die Unterschiede zwischen \(m_P\) und \(m_N\) und die Elektronen berücksichtigen. Darüber hinaus sind im Atomkern gebundene Nukleonen leichter als freie (wegen des Massendefekts, siehe Abschn. 10.8). Man hat sich darauf geeinigt, statt des Gewicht eines Wasserstoffatoms lieber 1/12 des Gewichts eines \({}^{12}C\) Atoms als Einheit zu benutzen. Für unsere Zwecke ist das aber Wurscht.
- 2.
Ein Wärmereservoir hat eine feste Temperatur. Es enthält so viel Energie, die es in Form von Wärme mit der Maschine austauschen kann, dass man die Änderungen im Reservoir vernachlässigen darf. An der heißen Seite wird immer genug nachgeheizt und an der kalten Seite die Wärme vollständig und schnell abgeführt.
- 3.
Ein Perpetuum mobile 1. Art ist eine Maschine, die Energie aus dem Nichts produziert.
- 4.
Lehrer Bömmel: „Dat eine Loch, dat es de Feuerung.“
- 5.
Auch viele Physike finden das überraschend. Für alle Experte, die Zweifel an dieser Aussage haben: eine sehr gründliche Antwort findet sich in E.H. Lieb and J. Yngvason, Physics Reports 310, 1 (1999).
- 6.
Nehmen wir zu seinen Gunsten mal an, dass das so wäre, obwohl auch das ein Problem darstellt.
- 7.
Alle anderen müssen mit dem Taschenrechner fummeln.
- 8.
Das ist, nach allem, was wir wissen, eine Idealisierung, denn man kann den Energieaustausch zwischen einem System und dem Rest des Universums nie völlig unterdrücken, wie wir im vorigen Abschnitt gesehen haben. Daher weicht man die energetische Abgeschlossenheit manchmal etwas auf und lässt einen winzigen Energieaustausch zu (die Schwerkraft der Fliege).
- 9.
Obwohl sich viele Leute darum bemühen.
- 10.
Bei grundlegenden Naturgesetzen ist das häufig so. Warum die Schrödingergleichung so aussieht, wie sie aussieht, weiß auch niemand so ganz genau.
- 11.
Sie mögen sich wundern, warum man überhaupt Atome als klassische Teilchen behandeln darf, wo extra für sie doch die Quantenmechanik erfunden wurde. Aber das betraf nur den inneren Aufbau. Solange man an der Bewegung der unveränderlichen Atome interessiert ist, ist die klassische Beschreibung ganz gut.
- 12.
Die statistische Entropie kann manchmal noch ein wenig mehr, aber das spielt für uns hier keine Rolle.
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Kree, R. (2023). Gott würfelt verständlich: Statistische Physik. In: Was geht mich die Physik an?. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-67934-0_12
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DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-67934-0_12
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Publisher Name: Springer, Berlin, Heidelberg
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