Die Gesetze der Thermodynamik sind eine Reihe von Gesetzen, auf denen die Thermodynamik basiert. Insbesondere sind dies vier Gesetze, die allgemein gültig sind, wenn sie auf Systeme angewendet werden, die unter die jeweils implizierten Einschränkungen fallen.
Im Laufe der Zeit sind diese Prinzipien zu "Gesetzen" geworden. Derzeit sind insgesamt vier Gesetze verkündet. In den letzten 80 Jahren haben einige Autoren andere Gesetze vorgeschlagen, aber keines von ihnen wurde einstimmig angenommen.
Interessanterweise wurde das Nullgesetz formuliert, nachdem die anderen drei Gesetze der Thermodynamik angegeben worden waren, und ist eine Folge von allen. Aus diesem Grund hat es Position 0.
Was sind die Gesetze der Thermodynamik?
In den verschiedenen theoretischen Beschreibungen der Thermodynamik können diese Gesetze auf scheinbar unterschiedliche Weise ausgedrückt werden, aber die bekanntesten Formulierungen lauten wie folgt:
Das Nullgesetz der Thermodynamik besagt, dass "wenn zwei thermodynamische Systeme, die sich mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht befinden, sie sich auch im Gleichgewicht befinden".
Das erste Gesetz der Thermodynamik oder das Gesetz der Energieerhaltung. Dieses Prinzip besagt: "Die Gesamtenergie eines isolierten Systems wird weder erzeugt noch zerstört, sie bleibt konstant."
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie im Universum tendenziell zunimmt. Aus diesem Gesetz wird abgeleitet, dass es keinen 100% igen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine gibt. Es wurde auch festgestellt, dass nicht alle thermodynamischen Prozesse reversibel sind.
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass es unmöglich ist, eine Temperatur zu erreichen, die dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin) entspricht.
Nullgesetz der Thermodynamik
Dieses Prinzip nennt man thermodynamisches Gleichgewicht. Befinden sich zwei Systeme A und B im thermodynamischen Gleichgewicht und B im thermodynamischen Gleichgewicht mit einem dritten System C, befinden sich A und C wiederum im thermodynamischen Gleichgewicht.
Dieses Prinzip ist grundlegend. Prinzip 0 wurde erst formell formuliert, nachdem die anderen drei Gesetze ausgesprochen worden waren. Daher erhält es Position 0.
Was bedeutet es, dass sich ein Prozess im thermodynamischen Gleichgewicht befindet?
Das thermodynamische Gleichgewicht eines thermodynamischen Systems ist definiert als der Zustand des Systems, in dem die empirischen Variablen, die zur Definition eines Systemzustands verwendet werden, einen Gleichgewichtspunkt erreicht haben. Da sie im Gleichgewicht sind, variieren sie nicht im Laufe der Zeit.
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 der Thermodynamik
"Die Gesamtenergie eines isolierten Systems wird weder erzeugt noch zerstört, sie bleibt konstant."
Sie können von einer Energieform zur nächsten übergehen, aber Energie wird weder erzeugt noch verschwindet sie. Beispielsweise kann in einer Wärmekraftmaschine die Wärmeenergie der Verbrennung in mechanische Energie umgewandelt werden.
Das erste Gesetz der Thermodynamik ist auch als Energieerhaltungsgesetz bekannt. Dieses thermodynamische Gesetz besagt, dass sich die innere Energie des Systems ändert, wenn an einem System gearbeitet wird oder Wärme mit einem anderen ausgetauscht wird.
Anders gesehen erlaubt uns dieses Gesetz, Wärme als die Menge an notwendiger Energie zu definieren, die das System austauschen muss, um die Unterschiede zwischen Arbeit und innerer Energie auszugleichen. Es wurde von Antoine Lavoisier vorgeschlagen.
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik regelt die Richtung, in der thermodynamische Prozesse ausgeführt werden müssen, und daher die Unmöglichkeit, dass sie in die entgegengesetzte Richtung ablaufen. Beispielsweise kann die Wärmeübertragung von einem heißen auf einen kalten Körper erfolgen, nicht jedoch umgekehrt.
In einigen Fällen wird auch die Unmöglichkeit festgestellt, die gesamte Energie ohne Verluste vollständig von einem Typ in einen anderen umzuwandeln. Beispielsweise wird in einem idealen Motor die zugeführte Wärmemenge in mechanische Arbeit umgewandelt. Bei einem realen Motor geht jedoch ein Teil der zugeführten Wärme verloren.
Dieses Gesetz erlaubt es, Entropie zu definieren. Die Variation der Entropie eines isolierten thermodynamischen Systems muss immer größer oder gleich Null sein und ist nur dann gleich Null, wenn der Prozess reversibel ist.
Der erste und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik entstanden gleichzeitig in den 1850er Jahren. Er war in erster Linie das Ergebnis der Arbeiten von William Rankine, Rudolf Clausius und William Thomson (Lord Kelvin).
Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
Das dritte Gesetz der Thermodynamik besagt, dass es unmöglich ist, durch eine endliche Anzahl physikalischer Prozesse eine Temperatur gleich dem absoluten Nullpunkt zu erreichen. Absoluter Nullpunkt entspricht 0 Kelvin, dh -273 Grad Celsius. Dieses Gesetz wurde von Walther Nernst vorgeschlagen.
Wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert, nähert sich die Entropie eines Systems Null
Das dritte Prinzip der Thermodynamik kann auch so angegeben werden, dass wenn ein gegebenes System sich dem absoluten Nullpunkt nähert, seine Entropie zu einem bestimmten konstanten Wert tendiert.
