Thermodynamik

Was ist ein ideales Gas?

Ansammlung punktförmiger, massebehafteter Teilchen, die sich kräftefrei im Volumen V bei Druck p und Temperatur T aufhalten und nur durch Stöße wechselwirken.

Wie lautet das isotherme Gasgesetz (Boyle-Mariotte)?

p·V = konstant bei T = konstant. Halbes Volumen bedeutet doppelter Druck. Im pV-Diagramm sind Isothermen Hyperbeln.

Wie lautet das isobare Gasgesetz (Gay-Lussac)?

V/T = konstant bei konstantem Druck: das Volumen idealer Gase ist direkt proportional zur Temperatur (Ausdehnung um 1/273,15 des Volumens bei 0 °C pro K). Isobaren sind Geraden im V-T-Diagramm.

Wie lautet das isochore Gasgesetz (Charles)?

p/T = konstant bei konstantem Volumen: Verdopplung der Temperatur verdoppelt den Druck. Isochoren sind Geraden im p-T-Diagramm.

Wie lautet das allgemeine Gasgesetz und was besagt Avogadro?

p·V = n·R·T. Gesetz von Avogadro: gleiche Volumina verschiedener Gase bei gleichem Druck und gleicher Temperatur enthalten gleich viele Moleküle. Molvolumen 22,41 l/mol (Normalbedingungen 273,15 K, 101,325 kPa), N_A = 6,022·10²³ mol⁻¹.

Was ist Temperatur?

Maß für die thermische Molekularbewegung (Wimmelbewegung, Brownsche Bewegung); Zustandsgröße, SI-Einheit Kelvin. Für die Messung ist das Sinnesempfinden ungeeignet, deshalb nutzt man temperaturabhängige Eigenschaften (Volumen, Druck, Widerstand).

Was besagt der 0. Hauptsatz der Thermodynamik?

Zwei Körper in thermischem Kontakt gleichen ihre Temperatur an: sie befinden sich im thermischen Gleichgewicht, es gibt keinen Netto-Wärmefluss. Grundlage der Temperaturmessung.

Wie funktionieren die Wärmerezeptoren der Haut?

Wärmerezeptoren gibt es nur in der Haut. Schnelle Adaption: Rezeptoren feuern bei Änderung (Bewegungserkennung). Langsame Adaption: Rezeptoren feuern während der gesamten Reizdauer (Halten). Wärme ist eine subjektive Empfindung.

Was ist die normale Körpertemperatur und welche Grenzen gelten?

Normal 36,8 bis 37,6 °C (37 °C als Richtwert, 5 % der Gesunden liegen außerhalb). Bei 37 °C Körpertemperatur hat das Blut 38 °C, die Leber ca. 39,6 °C, die Haut 22 bis 23 °C. Kerntemperatur über 41 °C: zerebrale Schäden, über 43 °C Hitzeschlag. Pro 1 °C ändert sich die Stoffwechselrate um 10 %.

Wie hängen Wärme, Temperatur und Wärmekapazität zusammen?

Q = m·c·ΔT. c = spezifische Wärmekapazität: Wärme, um 1 kg einer Substanz um 1 K zu erwärmen (Wasser 4,18 kJ/(kg·K)). Alte Einheit Kalorie (1 g Wasser um 1 °C), 1 cal = 4,184 J; Nahrungsmittel in kcal.

Warum ist die molare Wärmekapazität C_p größer als C_V?

Bei konstantem Druck dehnt sich das Gas beim Erwärmen aus und verrichtet Volumenarbeit an der Umgebung, bei konstantem Volumen nicht. Bei Flüssigkeiten und Festkörpern gilt wegen geringer Ausdehnung C_p ≈ C_V.

Was ist latente Wärme?

Wärme, die bei einem Phasenübergang (Schmelzen, Verdampfen) ohne Temperaturänderung aufgenommen wird: Q = m·λ_S. Die Teilchen verrichten Arbeit gegen die Anziehungskräfte. Eis schmelzen: 333,5 kJ/kg, damit könnte man 1 kg Wasser um ca. 80 K erwärmen (333,5/4,18).

Wie lautet der 1. Hauptsatz der Thermodynamik?

ΔU = Q + W: Die Änderung der inneren Energie ist die Summe der zugeführten Wärme und der zugeführten Arbeit (Energieerhaltung). Temperaturerhöhung entsteht durch Wärme oder Arbeit (Laufen, warm baden).

Was sind Zustandsgrößen und wie teilt man sie ein?

U, p, V, T, S, H, G sind Zustandsgrößen. Extensiv (proportional zur Stoffmenge): V, N, S, m. Intensiv (unabhängig von der Systemgröße): p, T, ρ, chemisches Potential μ. Beim Zusammenschütten zweier Gläser bleiben T und ρ gleich, V und m addieren sich.

Was zeigen Isobaren, Isochoren und Isothermen?

Isobare: konstanter Druck, Isochore: konstantes Volumen, Isotherme: konstante Temperatur. Zustandsänderung = Pfad im Zustandsdiagramm (Prozess).

Was ist ein Kreisprozess und was ist eine Wärmemaschine?

Kreisprozess: periodische Folge von Zustandsänderungen, die zum Ausgangszustand zurückführt. Die von der Kurve im pV-Diagramm umschlossene Fläche entspricht der geleisteten Arbeit. Wärmemaschine: wandelt Wärme zwischen zwei Reservoiren (T₁ > T₂) in mechanische Arbeit um (Verbrennungsmotor, Dampfmaschine).

Wie nutzt man das pV-Diagramm der Lunge?

Das dynamische pV-Diagramm der Atmung ist blattförmig; die eingeschlossene Fläche entspricht der Atemarbeit (V·p = J). Mechanische Atemleistung in Ruhe etwa 70 mW. Die Steigung der Ruhedehnungskurve ist die Compliance (höher in Atemruhelage, dort ist die Atemarbeit am kleinsten).

Wie funktioniert die Atemmechanik?

Das Zwerchfell vergrößert beim Zusammenziehen das Volumen des Brustraums, der Druck sinkt (isotherm), Luft strömt ein. Ausatmen erfolgt passiv durch die elastische Retraktion der Lunge (elastische Fasern und Oberflächenspannung der Alveolen), gehalten vom Thorax. Im Pleuraraum herrscht Unterdruck; beim Pneumothorax gelangt Luft in den Pleuraraum und die Lunge kollabiert.

Welche drei Arten der Wärmeübertragung gibt es?

Wärmeleitung (Energietransport durch Stöße, ohne Stofftransport), Konvektion (Wärmeströmung, an Stofftransport gekoppelt) und Wärmestrahlung (elektromagnetische Wellen, auch im Vakuum). Wärme fließt immer von warm nach kalt.

Wie lautet das Gesetz der Wärmeleitung?

ΔQ/Δt = k·A·ΔT/Δx (Wärmestrom proportional zur Fläche, zum Temperaturgefälle und zur Wärmeleitfähigkeit k). In Metallen helfen freie Elektronen.

Was ist Konvektion?

Wärmeübertragung durch Stofftransport: erwärmte Flüssigkeit/Gas wird leichter und steigt auf (Auftrieb), z. B. Kochtopf, Atmosphäre, Erdmantel. Wichtig, weil Flüssigkeiten und Gase schlechte Wärmeleiter sind.

Wie lautet das Stefan-Boltzmann-Gesetz für die Wärmestrahlung?

P = σ·ε·A·T⁴ mit σ = 5,67·10⁻⁸ W/(m²·K⁴), ε = Emissionsgrad (Metalle ≈ 0,1, Haut ≈ 0,98). Beispiel Mensch (309 K, 1,9 m²): ca. 1 kW Abstrahlung, durch Einstrahlung von außen stark verringert. Kleinkinder haben relativ große Oberfläche: etwa doppelte Verlustleistung, Gefahr der Unterkühlung.

Wie nutzt man Wärmestrahlung in der Medizin und wie kühlt sich der Mensch bei Hitze?

Thermographie: Durchblutung und Entzündungen ändern die Hautstrahlung (Nikotin verengt Gefäße, Haut strahlt weniger). Bei 45 °C im Schatten gibt der Körper Wärme über die Verdampfungsenthalpie von Schweiß ab: trockene Hitze ist leichter zu ertragen als Schwüle (hohe Luftfeuchtigkeit).

Wie ist die Entropie definiert (Clausius und Boltzmann)?

Clausius: ΔS = ΔQ/T, Maß für die Güte der Wärmeenergie. Boltzmann: S = k_B·ln Ω (Ω = Zahl der Mikroverteilungen bei gleichem Makrozustand, k_B = 1,38·10⁻²³ J/K). Unordnung hat größere Entropie, um Ordnung zu erreichen, muss Arbeit geleistet werden (2. Hauptsatz).

Was ist Diffusion und wie lautet das Ficksche Gesetz?

Ausgleich von Konzentrationsunterschieden durch thermische Teilchenbewegung ohne äußere Wirkung (läuft schneller bei höherer Temperatur und für kleinere Moleküle). J = −D·dc/dx (Teilchenstromdichte proportional zum Konzentrationsgefälle).

Wie lautet die Stokes-Einstein-Gleichung?

D = k_B·T/(6π·η·r): Der Diffusionskoeffizient steigt mit der Temperatur und sinkt mit Viskosität η und Teilchenradius r.

Wie beschreibt man die Diffusion durch eine Zellmembran?

j = −(D/d)·Δc = −P·Δc mit Membrandicke d (ca. 5 nm) und Permeabilitätskoeffizient P = D/d. Gase diffundieren passiv in Richtung des Druckgefälles (O₂ aus den Alveolen ins Blut, CO₂ aus den Zellen ins Blut).

Was besagt das Daltonsche Gesetz (Partialdruck)?

Der Gesamtdruck eines idealen Gasgemischs ist die Summe der Partialdrücke der Komponenten. Der Partialdruck ist der Druck, den die Komponente allein im Volumen ausüben würde (O₂- und CO₂-Partialdruck medizinisch wichtig).

Was ist Osmose und was Umkehrosmose?

Osmose: Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran in die Lösung höherer Konzentration, es baut sich ein osmotischer Druck auf. Umkehrosmose: Druck auf die konzentriertere Lösung drückt Wasser zurück (Gewinnung reinen Wassers); in der Lunge kann es ein Lungenödem verursachen.

Was bedeutet Tonizität?

Fähigkeit einer Lösung, Wasser in die Zelle hinein oder hinaus zu bewegen (bezogen auf nicht membrangängige gelöste Stoffe). Hypertonisch: außen höhere osmotische Konzentration, Zelle schrumpft. Isotonisch: gleich, keine Nettobewegung. Hypotonisch: außen niedriger, Zelle schwillt an (Erythrozyten können platzen).