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Wärmelehre

Wärmelehre nennt man dieses Gebiet der klassischen Physik gern noch in der Schule, in jenen unteren Klassen, in denen der erste Physikunterricht beginnt. Geht es dann in Richtung auf das Abitur zu, wandelt sich diese Bezeichnung zu Thermodynamik, so auch im Physikstudium und auch bei den Ingenieuren. Sie hier explizit zu nennen ist nur fair, denn die Wärmelehre war ursprünglich eine wichtige Stütze der Ingenieurskunst, insbesondere bei der Entwicklung und dem Bau von Dampfmaschinen, die dann Arbeit verrichteten, wenn die physikalischen Größen Druck, Temperatur und Volumen in optimaler Weise miteinander verzahnt wurden.

Wärmelehre

Die Wärmelehre basiert im Wesentlichen auf 4 fundamentalen Hauptsätzen.

Die Wärmelehre basiert im Wesentlichen auf 4 fundamentalen Hauptsätzen, die hier kurz erläutert werden sollen:

0. Hauptsatz der Thermodynamik

Wenn zwei Systeme jeweils mit einem dritten System im thermodynamischen Gleichgewicht stehen, dann stehen die beiden Systeme auch untereinander im Gleichgewicht. Es ist dann die Zustandsgröße Temperatur, die in allen drei Systemen übereinstimmt.

Diese eigentlich völlig selbstverständliche Betrachtung von 3 gleich temperierten Systemen wurde erst später, nachdem die drei Hauptsätze der Thermodynamik formuliert waren, als wichtige, fundamentale Erkenntnis begriffen und deshalb den anderen Hauptsätzen noch voran gestellt.

1. Hauptsatz der Thermodynamik

Die Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant.

Man erkennt hierin den Energieerhaltungssatz, der es ja explizit zulässt, dass verschiedene Energieformen während eines Prozessablaufs ineinander überführt werden können, aber die Summe der Gesamtenergie muss dabei in einem geschlossenen System konstant erhalten bleiben.

2. Hauptsatz der Thermodynamik

Thermische Energie kann nicht in jedem beliebigen Maße in andere Energieformen umgewandelt werden.

Das ist sicherlich der wichtigste Hauptsatz, birgt er doch bei genauem Hinsehen die weitreichesten Konsequenzen, und er steht sogar in gewisser Weise in Widerspruch zum 1. Hauptsatz. Interessant ist, dass hierbei auch schon nicht mehr unterschieden wird zwischen offenen und geschlossenen Systemen. Fakt ist, dass die verschiedenen Energieformen sozusagen unterschiedliche Qualitäten besitzen. Es geht geradezu um eine Energie-Hierarchie. Man kann kinetische Energie vollständig in Wärme umwandeln, das passiert z. B. bei einer (glühenden) Scheibenbremse. Aber man kann Wärmeenergie mit keiner (Dampf) Maschine vollständig in kinetische Energie wandeln. So besteht universell eine Tendenz der Zunahme von Wärmeenergie auf Kosten aller anderer Energiearten, was auch als das Prinzip der Zunahme der Enthropie ausgedrückt wird. Viele (philosophisch orientierte) Wissenschaftler befüchten deshalb, dass unser Universum eines Tages mal den “Wärmetod” sterben muss.

3. Hauptsatz der Thermodynamik

Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist nicht erreichbar.

Wie beim 0. Hauptsatz noch einmal der Bezug zur Temperatur. Es ist richtig, es gibt im gesamten Universum keine einzige Stelle, die absolut frei ist von Materie, Staub, Strahlung oder Neutrinos, und deshalb kann prinzipiell der absolute Nullpunkt der Temperatur auch keiner Stelle zu irgend einem Zeitpunkt zugeordnet werden.

Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, dass die Wärmelehre keine Aussage darüber macht, wie schnell Prozesse ablaufen, wenn z. B. eine Energieart in eine andere überführt wird. Aus diesem Grunde haben Wissenschaftler darüber nachgedacht, ob es nicht sinnvoller bzw. ehrlicher ist, den Begriff Thermodynamik durch durch den Begriff Thermostatik zu ersetzen. Wer Wärmelehre verstehen möchte, sollte sich sehr genau mit dem “Carnot-Prozess” auseinander setzen. Es war der französischen Ingenieur und Physiker sowie auch Offizier Nicolas Léonard Sadi Carnot, der historisch betrachtet das wissenschaftliche Gebiet der Wärmelehre begründete.