Die Gesetze der Thermodynamik sind eine Reihe von Gesetzen, auf denen die Physik der Thermodynamik basiert. Konkret handelt es sich hierbei um vier Gesetze, die allgemein gültig sind, wenn sie auf Systeme angewendet werden, die unter die in jedem einzelnen Gesetz enthaltenen Beschränkungen fallen.
Im Laufe der Zeit sind diese Prinzipien zu „Gesetzen“ geworden. Derzeit werden insgesamt vier Gesetze genannt. In den letzten 80 Jahren haben einige Autoren andere Gesetze vorgeschlagen, aber keines davon wurde einstimmig angenommen.
Kurioserweise wurde das nullte Gesetz nach der Aufstellung der anderen drei Gesetze formuliert und ist eine Konsequenz aus allen. Aus diesem Grund hat es die Position 0.
Was sind die Gesetze der Thermodynamik?
In den verschiedenen theoretischen Beschreibungen der Thermodynamik können diese Gesetze auf scheinbar unterschiedliche Weise ausgedrückt werden, die bekanntesten Formulierungen sind jedoch die folgenden:
- Das nullte Gesetz besagt: „Wenn zwei thermodynamische Systeme mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht stehen, stehen sie auch untereinander im Gleichgewicht.“
- Das erste Gesetz besagt: „Die Gesamtenergie eines isolierten Systems wird weder erzeugt noch zerstört, sie bleibt konstant.“
- Das zweite Gesetz besagt, dass die Entropiemenge im Universum tendenziell zunimmt. Aus diesem Gesetz lässt sich ableiten, dass es keinen 100-prozentigen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine gibt. Es wird auch darauf hingewiesen, dass nicht alle thermodynamischen Prozesse reversibel sind.
- Das dritte Gesetz besagt, dass es unmöglich ist, eine Temperatur gleich dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin ) zu erreichen .
Nulltes Gesetz: Gesetz des thermodynamischen Gleichgewichts
Dieses Prinzip wird thermodynamisches Gleichgewicht genannt. Befinden sich zwei Systeme A und B im thermodynamischen Gleichgewicht und B mit einem dritten System C im thermodynamischen Gleichgewicht, dann befinden sich wiederum A und C im thermodynamischen Gleichgewicht.
Dieses Prinzip ist grundlegend. Prinzip 0 wurde erst formell formuliert, nachdem die anderen drei Gesetze formuliert worden waren. Daher erhält es die Position 0.
Das thermodynamische Gleichgewicht eines Systems ist definiert als der Zustand, in dem die empirischen Variablen, die zur Definition eines Zustands des Systems verwendet werden, einen Gleichgewichtspunkt erreicht haben. Da sie im Gleichgewicht sind, verändern sie sich im Laufe der Zeit nicht.
Diese empirischen (experimentellen) Variablen eines Systems werden als thermodynamische Koordinaten des Systems bezeichnet. Unter anderen empirischen Variablen haben wir: Druck, Volumen, elektrisches Feld, Polarisation, Magnetisierung, lineare Spannung, Oberflächenspannung usw.
Erster Hauptsatz: Energieerhaltung
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtenergie eines isolierten Systems konstant bleibt; Es wird weder erschaffen noch zerstört, es verwandelt sich einfach von einer Form in eine andere. Beispielsweise wird in einer Wärmekraftmaschine die bei der Verbrennung entstehende Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt.
Dieses Gesetz, auch Energieerhaltungssatz genannt, besagt, dass sich die innere Energie des Systems ändert, wenn an einem System Arbeit geleistet oder Wärme mit einem anderen ausgetauscht wird. Einfacher ausgedrückt erlaubt das Gesetz, Wärme als die Energiemenge zu verstehen, die ein System austauschen muss, um die Diskrepanzen zwischen der geleisteten Arbeit und der inneren Energie auszugleichen. Antoine Lavoisier war der Pionier, der dieses grundlegende thermodynamische Gesetz vorschlug.
Zweiter Hauptsatz: Prinzip der Entropie
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik regelt die Richtung, in der thermodynamische Prozesse ablaufen müssen und damit die Unmöglichkeit, dass sie in die entgegengesetzte Richtung ablaufen. Beispielsweise kann eine Wärmeübertragung von einem heißen Körper auf einen kalten Körper erfolgen, umgekehrt jedoch nicht.
In einigen Fällen wird auch festgestellt, dass es unmöglich ist, die gesamte Energie vollständig und verlustfrei von einer Art in eine andere umzuwandeln. Beispielsweise wird in einem idealen Motor die zugeführte Wärmemenge in mechanische Arbeit umgewandelt. Bei einem echten Motor geht jedoch ein Teil der zugeführten Wärme verloren.
Dieses Gesetz ermöglicht es uns, Entropie zu definieren. Die Entropieänderung eines isolierten Systems muss immer größer oder gleich Null sein und ist nur dann gleich Null, wenn der Prozess reversibel ist.
Das erste und das zweite Gesetz entstanden gleichzeitig in den 1850er Jahren. Sie waren hauptsächlich das Ergebnis der Arbeiten von William Rankine, Rudolf Clausius und William Thomson (Lord Kelvin).
Drittes Gesetz: Prinzip des absoluten Nullpunkts
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass es unmöglich ist, durch eine endliche Anzahl physikalischer Prozesse eine Temperatur gleich dem absoluten Nullpunkt zu erreichen. Der absolute Nullpunkt liegt bei 0 Kelvin, was -273 Grad Celsius entspricht, und dieses Gesetz, das im Wesentlichen von Walther Nernst vorgeschlagen wurde , legt grundlegende Einschränkungen bei der Annäherung an diese extremen Bedingungen fest.
Wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert, tendiert die Entropie eines Systems gegen Null, was maximale Ordnung und minimale molekulare Bewegung impliziert. Mit anderen Worten: Die Störung des Systems wird auf ein Minimum reduziert, wenn die niedrigste mögliche thermische Grenze erreicht wird.
Dieses Prinzip lässt sich auch wie folgt formulieren: Wenn sich ein bestimmtes System dem absoluten Nullpunkt nähert, konvergiert seine Entropie gegen einen bestimmten konstanten Wert. Dieser Aspekt des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik verdeutlicht die intrinsische Regelmäßigkeit, die sich in Systemen bei extrem niedrigen Temperaturen manifestiert.
