Die Hauptsätze der Thermodynamik

prof. Rodica MoiseDeutsches Theoretisches

Lyzeum “Johann Ettinger” Satu Mare

Nullter Hauptsatz der Thermodynamik

Gegeben seien drei Systeme A, B und C. Wenn sich A und B im thermischen Gleichgewicht (gleiche Temperatur) befinden und B im thermischen Gleichgewicht ist mit C, so sind A und C ebenfalls im thermischen Gleichgewicht. Wenn irgendeines dieser Systeme in Kontakt mit einem anderen System kommt, wird die Energie durch Wärmefluss gleichmässig in allen beteiligten Systeme verteilt, d.h. die Temperatur ist in allen Systemen gleich.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Das erste Gesetz der Thermodynmik konzentriert sich auf die Existenz der Einheit der Energie. Es gilt: "Für jeden Prozess, der nur die Verschiebung einer Masse zwischen zwei spezifischen Höhen in einem Gravitationsfeld beinhaltet und keine äusseren Einflüsse auf das System wirken, bleibt die Grösse der Masse am Ende des Prozesses erhalten und ist unabhängig von Details des Prozesses".

1. Definition der Wärme

Wenn zwei Objekte, die unterschiedliche Temperaturen besitzen, in Kontakt kommen, tritt ein thermodynamischer Prozess auf, der das thermische Gleichgewicht zwischen den Objekten herstellt. Wissenschafter erklärten dieses Phänomen im 18. Jahrhundert mit dem Prinzip des Wärmestoffs (Caloricums) oder der Wärme. Diese ist eine Form der Energie und kann gespeichert werden und in mechanische Energie überführt werden.

Sie wurde in Kalorien gemessen.

2. Gleichheit von Arbeit Arbeit ist das Resultat, wenn eine Kraft auf einen

Körper wirkt und diesen in Bewegung versetzt. Der Interaktion von Arbeit zwischen zwei Systemen kann eine bestimmte Grösse zugeordnet werden. Diese Zahl kann durch eine bestimmte Höhenänderung einer Masse in einem Gravitationsfeld verglichen werden. Wenn die Arbeit vom System verrichtet wird (einem steigenden Gewicht), dann hat sie ein positives Vorzeichen.

Die Einheit, welche geleistete Arbeit kennzeichnet, ist "Joule".

3. Definition der Energie Wenn in einem System Arbeit verrichtet

wirk, resultiert immer eine Zustandsänderung. A sei die Startposition und B die Schlussposition. In A existiert eine Gewisse Energie (EA), die Arbeit (W) benötigt, um nach B zu gelangen und dort eine andere Energie (EB) zu besitzen.

Deshalb gilt EA + W = EB.

4. Energieerhaltung Besagt, dass die Energie nur von einer Form in

eine andere überführt werden kann. Sie kann nicht geschaffen oder zerstört werden. Aus diesem Grund ist die Summe aus der Wärme, die auf ein System übertragen wurde und der Arbeit, die am System verrichtet wurde, gleich der inneren Energie des Systems. Dieses Gesetz jedoch kann nicht auf nukleare Energie angewendet werden, da diese produziert wird, wenn Atome einer Materie fusionieren oder gespalten werden. Der Energieerhaltungssatz wird oft zusammen mit dem Massenerhaltungssatz kombiniert. Dies ist darum der Fall, da Materie in Energie umgewandelt werden kann.

5. Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile erster Art

Ein Perpetuum Mobile erster Art (pmm1) ist ein hypothetisches System, das keine Energie benötigt, um Arbeit zu verrichten. Dagegen ist bekannt, dass eine Maschine Energie braucht, um Arbeit verrichten zu können. Deshalb ist das ppm1 eine unmögliche Maschine.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik befasst sich vor allem mit den Gleichgewichtzuständen von Systemen und mit den Prozessen, die Zustandsänderungen zwischen Systemen ergeben. Das Wort Gleichgewicht bedeutet, dass der Zustand eines Systems unverändert bleibt, während es von anderen Systemen isoliert ist, die in der Umgebung gefunden werden könnten. Es heisst: "Unter allen erlaubten Zuständen eines Systems mit spezifischen Werten von Energie, Zwang und Partikelzahl ist nur eines in konstantem Gleichgewichtszustand". Andere Hypothesen wurden aus dem Hauptsatz ausgeschlossen.

Formulierung von Clausius

Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist

Einfacher ausgedrückt: Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen. Diese Aussage scheint zunächst überflüssig zu sein, denn sie entspricht der alltäglichen Erfahrung, wie die über die Anziehungskraft der Erde. Dennoch ist sie äquivalent zu allen weiteren, weniger „selbstverständlichen" Aussagen, denn alle Widersprüche zu den anderen Aussagen lassen sich auf einen Widerspruch zu dieser zurückführen.

Formulierung von Kelvin, Lord

William Thomson

Es gibt keine Zustandsänderung, deren einzige Ergebnisse das Abkühlen eines Körpers und das Heben eines Gewichtes sind.

Carnot-Prozess Es gibt keine Wärmekraftmaschine, die

bei gegebenen mittleren Temperaturen der Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr einen höheren Wirkungsgrad hat als der aus diesen Temperaturen gebildete Carnot-Wirkungsgrad.

1. Zustandsprinzip Wie bekannt ist, bezieht sich der

Gleichgewichtszustand eines Systems auf die Werte von Energie, Zwang und Partikelzahlen in eben diesem System. Das Zustandsprinzip besagt, dass die Werte jeder Eigenschaft eines Systems in einem Gleichgewichtszustand nur durch eine Funktion der Werte von Energie, Zwang und Partikelzahl beschrieben werden kann.

2. Reversible und irreversible Prozesse

Wenn ein System und seine Umwelt Zustandsänderungen erfahren könne und das System fähig ist, seinen ursprünglichen Zustand wieder zu erreichen, wird dies ein reversibler Prozess genannt. Auf der anderen Seite, wenn ein System von seinem ursprünglichen Zustand zu einem festen Gleichgewichtszustand übergeht, ohne Beeinflussung der Umwelt, so wird dies ein irreversibler Prozess genannt.

3. Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile zweiter Art Ein System in einem festen Gleichgewichts-

zustand kann keine Arbeit verrichten, sondern nur aufnehmen. Wenn ein System in einem festen Gleichgewichtszustand Arbeit verrichten könnte, würde es in einen Nicht-Gleichgewichtszustand wechseln, ohne Beeinflussung der Umwelt. Diese unmögliche Annahme ist der Grundsatz des Perpetuum Mobile zweiter Art (ppm2). Es ist eine Maschine, die Arbeit aus einem Gleichgewichtszustand verrichtet.

4. Gemeinsamer Gleichgewichtszustand

Wenn sich 2 Systeme A und B in einem gemeinsamen Gleichgewicht befinden, befinden sich beide auch in einem festen Gleichgewichtszustand. Weiter, wenn der Zustand eines der Systeme geändert wird, wenn A und B verbunden sind, ändert der Zustand des zweiten Systems ebenfalls.

5. Definition der Entropie Die Entropie ist ein Mass für die Unordnung in

einem System oder ein Mass, wie nahe ein System dem Gleichgewicht ist. Sie liefert den Wert, wieviel thermische Energie zur Verrichtung von Arbeit vorhanden ist. Dies bedeutet, je weniger Entropie, desto weniger Energie zur Verfügung. Der zweite Hauptsatz besagt, dass die Entropie nicht von alleine abnehmen kann. Als Folgerung dieses Satzes gilt, dass eine Maschine nur Arbeit verrichten kann, wenn Wärme abgeführt wird, mit anderen Worten: Eine Maschine funktioniert nur, wenn sie gekühlt wird

Dritter Hauptsatz der Thermodynamik

Aufgrund des zweiten Satzes wird der absolute Nullpunkt in einer absoluten Temperaturskala mit einbezogen. Der dritte Hauptsatz besagt, dass der absolute Nullpunkt durch kein Verfahren erhalten werden kann. Es ist nur möglich, sich dem absoluten Nullpunkt zu nähern, aber unmöglich, ihn zu erreichen. Der dritte Hauptsatz definiert auch den Wert null Entropie, indem er angibt, dass alle Körper am absoluten Nullpunkt die gleiche Entropie haben.

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