Werner Langbein

• Das vorliegende Buch soll den Studenten der Natur- und Ingenieurwissenschaften mit den Grundlagen der Thermodynamik vertraut machen und an prägnanten Beispielen mit ausführlichen Lösungen zeigen, wie konkrete Probleme anzugehen sind. Die Begriffe Temperatur und Wärme entsprechen der Alltagserfahrung. An- ders als in der Mechanik und Elektrodynamik ist es jedoch erst nach 1900 zu einer mathematisch tragfähigen Formulierung der Thermodynamik gekommen. Dies liegt vor allem daran, daß sie alltägliche Vorgänge der Vielteilchenphysik beschreibt, die ihrer Natur nach statistischen Unbestimmtheiten unterliegen. Deshalb besitzt die Thermodynamik eine andere mathematische Struktur als etwa die Mechanik und wird im Prinzip erst durch die statistische Mechanik vollständig beschrieben, die makroskopische Eigenschaften aus den mikroskopischen molekularen Eigenschaften herleitet. Demgegenüber interessieren in den technischen Anwendungen vor allem die Beziehungen zwischen makroskopischen Mittelwerten, wobei Abweichungen von diesen Mittelwerten nur gelegentlich eine Rolle spielen. In der Thermodynamik gelingt es, die für die Anwendungen wichtigsten statistischen Sachverhalte bereits durch zwei Größen nämlich Temperatur und Entropie darzustellen, ohne die mikro- skopischen Eigenschaften der Moleküle heranziehen zu müssen. Die beiden Größen lassen sich über wenige Erfahrungstatsachen (Hauptsätze) der makroskopischen Phy- sik widerspruchsfrei einführen. Für die meisten Anwendungen in der technischen Thermodynamik und physikalischen Chemie erweist sich diese makroskopische Beschreibung als hinreichend. Das Buch besteht aus vier Teilen: Teil I befaßt sich mit den Grundbegriffen der Thermodynamik. Sie werden für die Gleichgewichtszustände der Systeme über die vier Hauptsätze (Null bis drei) eingeführt. Die Hauptsätze reichen aus, um die Rolle der Temperatur und der thermodynamischen Potentiale zu verstehen und das physikalische Verhalten am absoluten Nullpunkt herzuleiten. Die Anwendungen sind so ausgewählt, daß die we- sentlichen Begriffsbildungen an charakteristischen Beispielen aus den verschiedenen Spezialgebieten der Thermodynamik geklärt werden. Teil II behandelt die Thermodynamik irreversibler Prozesse. Hier wird die lineare Theorie der Ausgleichsvorgänge in räumlich inhomogenen Systemen beschrieben. Diese Systeme werden als Vereinigung vieler kleiner homogener Materialelemen- te mit Konvektionsbewegung dargestellt, von denen sich jedes in einem inneren Gleichgewicht im Sinne von Teil I befindet. Aus der Unterschiedlichkeit der Gleichge- wichtsparameter ergeben sich dann Näherungen für den Zeitverlauf des Ausgleichs- vorgangs. Auf diese Weise entsteht eine zeitabhängige Kontinuumsthermodynamik, die für die meisten praktischen Anwendungen hinreichend ist. Dabei sind die Phä-nomene der thermischen Schwankungen vernachlässigt, die man bei sehr kleinen Materialelementen gesondert beachten muß. Teil III erläutert deshalb die thermischen Schwankungen. Hier werden die statis- tischen Methoden soweit besprochen, als es für Verständnis und Beurteilung der Schwankungen notwendig ist. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Schwankungs- -Dissipations Theorem, welches die Höhe und Breite der mittleren Fluktuation abschätzt. Darüberhinaus stellt Teil III den Zusammenhang zwischen Thermodyna- mik und klassischer Mechanik des Vielteilchensystems auf Basis der statistischen Mechanik der Gleichgewichtsphänomene dar. Hier wird der statistische Hintergrund der thermodynamischen Potentiale und der Temperatur erläutert. Teil IV enthält die ausführlichen Lösungen aller Aufgaben. Das Buch ist auch zum Nachschlagen für Physiker, Chemiker und Lehrer geeignet. Mathematisch werden nur Kenntnisse der Differential- und Integralrechnung sowie der Vektoranalysis vorausgesetzt. Zur Orientierung in der Vielfalt der Spezialgebiete werden Hinweise zu Lehrbüchern der technischen Thermodynamik und physikali- schen Chemie gegeben. Die Tabellen im Anhang stellen dem Leser einige für die Praxis wichtige Daten direkt zur Verfügung.