Nach seiner Definition weist der erste Hauptsatz der Thermodynamik drei Einschränkungen für thermodynamische Prozesse auf:
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Wir können nicht wissen, ob ein Prozess reversibel oder irreversibel ist.
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Es zeigt nicht an, ob Wärme von einem kalten Körper zu einem warmen Körper fließen kann.
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In der Praxis ist es nicht möglich, Wärmeenergie in einen äquivalenten Arbeitsaufwand umzuwandeln.
Bevor Sie jede dieser Einschränkungen im Detail analysieren, sollten Sie wissen, was der erste Hauptsatz der Thermodynamik (oder das Prinzip der Energieerhaltung) festlegt:
Was sagt uns der erste Hauptsatz der Thermodynamik?
Das Energieerhaltungsgesetz besagt, dass die Änderung der Gesamtenergie des Systems gleich der Differenz zwischen der zugeführten oder übertragenen Wärme und dem zugeführten oder gelieferten Teil ist. Die Gesamtenergie ist die Summe aus kinetischer Energie, potentieller Energie, innerer Energie und anderen Energieformen:
Für ein von der Umwelt thermisch isoliertes System (geschlossenes System) gilt der Satz zur Erhaltung der Gesamtenergie:
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Die innere Energie eines wärmeisolierten Systems bleibt konstant.
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Energie kann nicht zerstört oder erzeugt werden, und unter bestimmten Bedingungen kann eine Energieform in eine andere umgewandelt werden.
Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist ein Perpetual Mobile nicht möglich, dh eine Maschine, die Arbeit erzeugt, ohne sie mit Arbeit oder Wärme zu versorgen und ohne Änderungen bei der Arbeit vorzunehmen.
Einschränkung 1: Wir können nicht wissen, ob ein Prozess reversibel oder irreversibel ist
Ein Prozess ist reversibel, wenn er in die eine oder andere Richtung ablaufen kann. Zum Beispiel kann Wasser eingefroren und aufgetaut werden, indem Wärme in einem thermodynamischen Prozess in beide Richtungen ausgetauscht wird.
Andererseits ist das Verbrennen eines Stücks Papier ein irreversibler Prozess. Nachdem das Papier verbraucht wurde, ist es zu Rauch geworden, aber es ist nicht möglich, den Rauch wieder in Papier umzuwandeln.
Eine der Einschränkungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik besteht darin, dass wir nicht wissen können, ob ein Prozess reversibel ist oder nicht. Nach diesem Gesetz würde uns nichts daran hindern, Rauch in Papier umzuwandeln.
Einschränkung 2: Die Richtung des Wärmeflusses ist nicht eingeschränkt
Alle Körper haben eine bestimmte Energie in sich: die innere Energie des Systems. Manchmal kann diese Energie als Wärme von einem Körper zum anderen fließen.
Die Erfahrung zeigt, dass wir einem Glas bei Raumtemperatur heißes Wasser hinzufügen, das Glas wird sich erwärmen: Ein Teil der Energie aus dem Wasser wurde in Form von Wärme auf das Glas übertragen. Die Richtung der Wärmeübertragung ist klar: Wärme fließt vom heißen zum kalten Körper.
Kann die Wärme jedoch rückwärts fließen? Ist es möglich, dass ein Teil der Energie im Glas auf das Wasser übertragen wird und sich noch mehr erwärmt? Aus Erfahrung wissen wir es nicht, aber das erste Prinzip der Thermodynamik schränkt die Richtung der Wärmeenergieübertragung nicht ein. Theoretisch würde uns nichts aufhalten.
Einschränkung 3: Nicht die gesamte Wärmeenergie kann in Arbeit umgewandelt werden
Nach dem ersten Gesetz bleibt die Energie eines thermodynamischen Prozesses die Gesamtenergie des Systems konstant. In der Praxis geschieht dies jedoch nicht und es kommt immer zu Verlusten, insbesondere bei offenen Systemen.
Beispielsweise ist es in einem Verbrennungsmotor nicht möglich, die gesamte bei der Verbrennung erzeugte Wärmeenergie in mechanische Arbeit umzuwandeln.
Nach dem Satz von Carnot: "Es kann keine Wärmekraftmaschine geben, die zwischen zwei gegebenen Wärmequellen arbeitet und einen höheren Wirkungsgrad aufweist als eine Carnot-Maschine, die zwischen denselben Wärmequellen arbeitet."
Und nach diesen Einschränkungen?
Um all diese Einschränkungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik zu lösen, tauchten nach und nach die anderen Gesetze der Thermodynamik auf.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik legt die Existenz der Entropie als Funktion des Zustands eines thermodynamischen Systems fest. Dieses Gesetz führt das Konzept der absoluten thermodynamischen Temperatur ein.
In einem isolierten System bleibt die Entropie unverändert oder nimmt zu (bei Nichtgleichgewichtsprozessen) und erreicht ein Maximum, wenn sich das thermodynamische Gleichgewicht einstellt.
Schließlich erschien das Nullgesetz der Thermodynamik, das besagt, dass "wenn zwei Systeme, die sich mit einem dritten System im thermischen Gleichgewicht befinden, sie sich auch im Gleichgewicht befinden". Dieses Gesetz war das letzte, aber sie stellten es vor die anderen Prinzipien der Thermodynamik.
