P99: Die Hauptsätze der Thermodynamik

 18.4 Die Hauptsätze der Wärmelehre

Unsere bisherigen Erfahrungen werden durch vier Regeln festgehalten, die man Hauptsätze der Wärmelehre nennt. Sie haben einen ähnlichen Status für die Wärmelehre wie die Newtonschen Axiome für die Mechanik:

0. Hauptsatz:

Werden zwei Körper in Kontakt gebracht, so gleichen sich ihre Temperaturen an.

Man sagt: Sie befinden sich im thermischen Gleichgewicht.

Dieser Hauptsatz wurde erst später aufgestellt, aber dann vor die anderen drei gesetzt, weil er ganz grundlegend ist. Man kann mit ihm zwar keine Temperatur definieren, aber mit Hilfe einer Vorstellung zu Temperatur kann man untersuchen, ob zwei Körper im thermischen Gleichgewicht stehen.

Deswegen findet man auch oft die folgende Formulierung: Systeme im thermischen Gleichgewicht haben die gleiche Temperatur.

1. Hauptsatz:

Das ist nichts anderes als der Energieerhaltungssatz: Die Energie eines thermodynamischen Systems ist eine Erhaltungsgröße.

Man kann auch sagen: Es gibt kein Perpetuum mobile 1.Art

Praktisch bedeutet das:

Die innere Energie U eines Gases wird dadurch erhöht, dass man Wärmeenergie Q zuführt und/oder Arbeit W am Gas verrichtet.

Oft sieht man den 1. Hauptsatz dann als Formel: 

ΔU = Q + W

2. Hauptsatz:

Den haben wir im letzten Post schon genannt. Es gibt einige alternative Formulierungen, die ich hier aufzählen möchte:

- Durch keinen periodischen Vorgang kann Wärmeenergie vollständig in Arbeit umgewandelt werden.

- Wärmeenergie fließt nicht von allein von einem kälteren zu einem wärmeren Körper.

- Die Entropie S eines Systems kann nicht von alleine abnehmen.

- Es gibt kein Perpetuum mobile 2.Art (eine periodische arbeitende Maschine, die Arbeit nur durch Abkühlen eines anderen Körpers verrichtet).

3. Hauptsatz:

Hier gibt es verschiedene Formulierungen:

- In der Nähe des absoluten Nullpunktes werden Entropieänderungen verschwindend klein.

- Je kälter ein Objekt ist, desto mehr Arbeit ist notwendig, es noch kälter zu machen.

- Durch keine endliche Anzahl zyklischer Prozesse kann man einen Körper auf 0 K abkühlen.

Kurz: Es ist nicht möglich, den absoluten Nullpunkt 0 K = -273,15°C zu erreichen.

Trotz allem hat man sich ihm bisher auf ein zehnmilliardstel Grad genähert.

Damit wollen wir es belassen. Ich finde, man muss mal von diesen Erfahrungsregeln gehört haben, die alle durch die Erfindung der Dampfmaschine gefunden wurden und die die erste technische Revolution der Menschheit eingeleitet und theoretisch begleitet haben. Es sind Erfahrungsregeln, keine "beweisbaren" mathematische Gesetze!