Hauptsätze der Thermodynamik
Schlagwörter: Hauptsatz, Hauptsätze Thermodynamik, Grundgerüst, Basis
Die vier Hauptsätze der Thermodynamik stellen die Basis der Thermodynamik dar. Sie beschreiben die Energiequadriga ►01 aus:
- Energieumwandlung
- Energietransport
- Energieentwertung
- Energieerhaltung
Etwas befremdlich wirkt die Zählweise der Hauptsätze. Hier findet man in unterschiedlichen Quellen die Zählweise 1, 2, 3 und 0 oder auch 1 – 4. Die Hauptsätze 1 bis 3 werden aber i.d.R. einheitlich formuliert.
1. Hauptsatz der Thermodynamik
Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik sagt aus, dass die Summe aller Energien in einem abgeschlossenen System konstant ist. Es gilt die Energieerhaltung.
Energie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden, sie kann nur aus anderen Energieformen umgewandelt werden. In einem geschlossenen System gilt, dass die Summe aller Energien konstant ist.
{\large \displaystyle \sum\limits_{i=1}^{n}{{{E}_{i}}}=\text{konstant}}
2. Hauptsatz der Thermodynamik
Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik gibt Auskunft über die Richtung, in die ein Prozess ablaufen kann.
Nach dem 2. Hauptsatz kann Wärme nicht von allein von einem kalten Körper, auf einen Körper mit höherer Temperatur übergehen.
Das wir an einem Beispiel deutlich:
Es wäre kein Verstoß gegen die Energieerhaltung, wenn wir im Winter die Fenster öffnen würden, um so den Raum zu heizen. Die Außenluft kühlt sich ab und erwärmt dabei die Luft im Raum. Das funktioniert leider nicht. Die Richtung, in die ein Energietransport von selbst erfolgen kann, wird durch den 2. Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben. ►02
Wärme kann, ohne äußeren Antrieb, nur vom wärmeren System zum kälteren System übertragen werden.
Gelegentlich findet man auch die Formulierung: „Es gibt kein Perpetuum mobile 2. Art.“
Im Studium wird eine weitere Größe zu mathematischen Beschreibung dazukommen, die Entropie S.
{\large \begin{array}{l}\Delta S\ =\ \frac{\Delta {{E}_{W}}}{T}\\\\Einheit:\ \left[ E \right]=1\,\frac{J}{K}\end{array}}
In der Natur laufen alle Prozesse so ab, dass die Entropie aller beteiligten Körper zunimmt.
- ΔS>0 Prozess ist ohne äußere Einwirkung möglich (irreversibel)
- ΔS=0 Prozess ist reversibel, kann von ohne äußere Einwirkung in beide Richtungen ablaufen
- ΔS<0 Prozess ist ohne äußere Einwirkung nicht möglich
Es gilt: ΔS ≥ 0 (elegante Formulierung des 2. Hauptsatzes)
- Arbeit kann in Wärme umgewandelt werden.
- Wärme kann nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden. Es treten „Verluste“ auf.
- Soll der Wärmetransport von der höheren Temperatur zur niedrigeren Temperatur erfolgen, dann muss dem System Energie zugeführt werden.
- Beispiele – Wärmepumpe, Klimaanlage, Kühlschrank (elektrisch oder Gas)
- Entropie fließt nur in die Richtung, in der sie die Entropie des Systems erhöht.
3. Hauptsatz der Thermodynamik
Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass es unmöglich ist, den absoluten Nullpunkt (0 K) zu erreichen.
Experimentell können wir den absoluten Nullpunkt auch mit einem relativ einfachen Experiment in der Schule oder zu Hause finden ►04. → zum Experiment
0. Hauptsatz der Thermodynamik
Neben den drei Hauptsätzen der Thermodynamik, gibt es noch einen häufig vergessenen 4. Hauptsatz. Dieser wird je nach Literatur als „Nullter Hauptsatz“ oder „Vierter Hauptsatz“ bezeichnet.
Er besagt: Wenn sich zwei Systeme jeweils im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System befinden, dann befinden sich die Systeme auch untereinander im thermischen Gleichgewicht. Dies bedeutet, dass alle drei Systeme die gleiche Temperatur haben.
Oder anders ausgedrückt: Der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass wenn sich System 1 und System 2, sowie System 1 und System 3 im thermischen Gleichgewicht befinden, dann befinden sich auch die Systeme 2 und 3 im thermischen Gleichgewicht. Es haben dann alle drei Systeme die gleiche Temperatur.
- Beispiel – Thermometer:
- System 1 Thermometer
- System 2 Becherglas mit Wasser ♦05
- System 3 Raumluft ♦06
- Wenn das Thermometer eine hinreichende Zeit im Becherglas liegt, dann gleichen sich die Temperaturen von Thermometer und Becherglas an.
- Wenn das Thermometer eine hinreichende Zeit im Raum liegt, dann gleichen sich die Temperaturen von Thermometer und Raum an.
Für beide Fälle gilt, dass das Thermometer eine deutlich kleinere Masse als Wasser bzw. Raum hat. Damit kann der Einfluss des Thermometers auf Wasser- oder Raumtemperatur i.d.R. vernachlässigt werden.