Hochschullehrbuch der Thermodynamik mit Beispielen aus Alltag und Technik sowie Beispielaufgaben.
Alle Tiere fressen ihre Nahrung roh. Nur der Mensch kocht sein Essen. Schon unsere Vorfahren in der Altsteinzeit erhitzten ihre Speisen auf hohe Temperaturen, damit sie leichter verdaulich werden und an Geschmack gewinnen. Dass dies von Vorteil ist, unterliegt keinem Zweifel. Aber was geschieht eigentlich mit einem Schnitzel, das in der Pfanne brutzelt, oder dem Blumenkohl im Kochtopf? Welche physikalischen und chemischen Prozesse werden durch das Erhitzen ausgelöst? Und was meinen wir, wenn wir sagen, etwas sei "gar"? Eine Antwort auf diese Fragen kann uns nicht nur dabei helfen, durch das gezieltere Steuern von Garvorgängen die Erzeugnisse unserer eigenen Kochkunst zu verbessern. Die Beschäftigung mit der Physik des Kochens führt uns auch auf zwanglose Weise zum eigentlichen Ziel dieses Buches: die Gesetze der Thermodynamik zu verstehen. Sehen wir uns daher an, was mit den Speisen beim Garen geschieht. Es wird sich auszahlen.
/ AUS DEM INHALT: / / /
Vorwort V
1 Biologie und Chemie des Kochens 1
1.1 Was beim Garen geschieht 2
1.2 Gemüse 2
1.3 Fleisch 5
1.4 Spaghetti kochen - Erhitzen von Stärke 9
1.5 Garverfahren 11
2 Wasser und Dampf - Kochen im Schnellkochtopf 13
2.1 Die Erfindung des Schnellkochtopfs 14
2.2 Zustände thermodynamischer Systeme 17
2.3 Phasenänderungen beim Erhitzen von Wasser 21
2.4 ü-T-Diagramm und Verdampfungsenthalpie 24
2.5 Sieden bei höherem Druck 26
2.6 Kochen im Schnellkochtopf 33
3 Phasenübergänge in der Natur - Dampf, Tau und Nebel 47
3.1 Geysire 48
3.2 Gasgemische 58
3.3 Verdampfen und Verdunsten 61
3.4 Kochen im Gebirge 65
3.5 Luftfeuchtigkeit 67
3.6 Taubildung und Taupunkttemperatur 70
3.7 Nebel und Wolken 76
4 Das ideale Gas - Cornelis Drebbels Wunderapparatur 79
4.1 Der Apparat von Cornelis Drebbel 80
4.2 Die Zustandsgieichung des idealen Gases 84
4.3 Drebbels Apparat als Barometer und Thermometer 88
5 Fundamentale Konzepte: Kinetische Gastheorie 97
5.1 Die Begründung der Thermodynamik aus der klassischen Mechanik 98
5.2 Mikroskopisches Modell des idealen Gases 99
5.3 Statistische Beschreibung des Drucks 100
5.4 Zustandsgieichung des idealen Gases 104
5.5 Maxwell-Boltzmann-Verteilung 110
5.6 Luft, statistisch betrachtet 116
5.7 Brownsche Bewegung 121
5.8 Reale Gase 127
6 Der erste Hauptsatz - Thermodynamik des Backofens 129
6.1 Der Sonntagsbraten als thermodynamisches Problem 130
6.2 Systemgrenzen 132
6.3 Energieformen 134
6.4 Innere Energie 135
6.5 Gesamtenergie 137
6.6 Wärme und Arbeit 138
6.7 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 148
6.8 Spezifische Wärmekapazität 152
6.9 Spezifische Wärmekapazität von Gasen 158
6.10 cy, Cp und die Mathematik des ersten Hauptsatzes 158
6.11 Wärmekapazitäten und der Gleichverteilungssatz 163
6.12 Modelle für Festkörper und Flüssigkeiten 168
6.13 Isobare Prozesse und die Enthalpie 171
6.14 Erster Hauptsatz für stationäre Fließprozesse 173
7 Adiabatische Prozesse - Luftdruck, Thermik und Wolken 179
7.1 Die barometrische Höhenformel 180
7.2 Temperaturmessungen mit Radiosonden 186
7.3 Thermik 190
7.4 Der adiabatisch-reversible Prozess 195
7.5 Der Aufstieg eines Luftpaketes 198
7.6 Thermik und Temperaturkurve 200
7.7 Feuchtadiabatischer Aufstieg 202
7.8 Wolkenbildung 203
7.9 Höhenabhängigkeit der Taupunkttemperatur 207
8 Thermodynamische Kreisprozesse - Heizen mit Wärmepumpen 209
8.1 Klimawandel und C02-Emissionen 210
8.2 Mit kalter Luft heizen? 212
8.3 Die Carnot-Wärmepumpe 215
8.4 Leistungszahl von Wärmepumpen 224
8.5 Die Carnot-Wärmekraftmaschine 227
8.6 Wärmepumpen zur Wohnungsheizung 228
8.7 Leistungszahlen in der Praxis 230
8.8 Primärenergiebilanz von Wärmepumpen 231
8.9 Der Kältemittelkreislauf in einer Wärmepumpe 232
8.10 Kältemittel 236
8.11 Quantitative Analyse des Kältemittelkreislaufs 237
9 Fundamentale Konzepte: Die Entropie als Zustandsgröße 241
9.1 Die Qualität der Energie 242
9.2 Die Entropie der inkompressiblen Substanz 245
9.3 Adiabatische Erreichbarkeit als Ordnungsrelation 248
9.4 Die Entropie 254
9.5 Die Entropie des idealen Gases 257
9.6 Unterirdische Verbindungen 260
10 Fundamentale Konzepte: Der zweite Hauptsatz 267
10.1 Irreversible Prozesse 268
10.2 Bilanzgleichung für die Entropie 269
10.3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 275
10.4 Entropieerzeugung in irreversiblen Prozessen 278
10.5 Das Maximum der Entropie 280
10.6 Freie Energie und freie Enthalpie 281
10.7 Klassische Fassungen des zweiten Hauptsatzes 285
10.8 Entropiebilanz für offene Systeme 291
11 Fundamentale Konzepte: Mikroskopische Deutung der Entropie 295
11.1 Irreversibilität und die Zerstreuung von Energie 296
11.2 Makrozustand und Mikrozustände 298
11.3 Statistische Mechanik: Das Zählen von Zuständen 299
11.4 Das Boltzmann-Einstein-Modell 300
11.5 Die Verbindung zur Thermodynamik 304
11.6 Die Boltzmann-Verteilung 307
11.7 Mikroskopische Begründung der Irreversibilität 312
12 Kraftwerksprozesse - Strom von der Sonne 315
12.1 Solarkraftwerke in der Wüste 316
12.2 Grundaufbau eines solarthermischen Kraftwerks 322
12.3 Der Kraftwerksprozess 324
12.4 Gas-und-Dampf-Kraftwerke 333
12.5 Kraft-Wärme-Kopplung 334
13 Mechanismen der Wärmeübertragung - Windchill 335
13.1 Windchillmessungen in der Antarktis 336
13.2 Die Mechanismen der Wärmeübertragimg 342
13.3 Wärmeleitung 343
13.4 Wärmeübertragung durch Strahlung 347
13.5 Wärmeübertragung durch Konvektion 360
13.6 Der Behälter von Siple und Passei 369
13.7 Thermische Netzwerke 375
14 Instationäre Wärmeleitung - Das perfekte Frühstücksei 379
14.1 Die Wärmeleitungsgleichung 380
14.2 Die gleichmäßige Erwärmung 382
14.3 Morgen bringe ich sie um 386
14.4 Warum sich Metall kalt und Holz warm anfühlt 393
A Literatur und Bildnachweis 401
B Tabellen und Symbolverzeichnis 409
Sachregister 425