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PHYSIK: Die Hauptsätze der Thermodynamik

 


Einleitung

In den Jahren als das Elektronik-Kompendium noch E-ONLINE hiess, war der Newsletter noch anders strukturiert und ich veröffentlichte oft spezielle kurze Beiträge unter der Rubrik Extra-Beilage. Dies waren Inhalte über Elektrotechnik (elektrische Phänomene, Autoren-Vorstellungen), Literatur/Geschichte (Tesla, Batteriehersteller Leclanche), Umwelt, Physik (Buch-Kurzbeschreibung und die Hauptsätze der Thermodynamik). Einige dieser Inhalte werde ich als ständige Extra-Beilagen wiedergeben, die ich zum Teil etwas erweitern werde. Das Inhaltsverzeichnis der Extra-Beilagen findet man im letzten Abschnitt auf der Indexseite der Elektronik-Minikurse. Diese Extra-Beilage hat kurz und bündig die thermodynamischen Hauptsätze der Physik zum Thema.



Einleitung zum vorliegenden Thema

Das folgende Thema ist ein Auszug aus dem Lehrbuch PHYSIK (ISBN: 38'50'01'89'03) aus der Lehrbuchserie Wissen im Bild aus dem TOSA-Verlag. Ich habe vor vielen Jahren an einer Buchaktion diese Lehrbücher etwas kennengelernt und kaufte mir, weil im Angebot sehr preiswert, das eben erwähnte und zwei andere mit den Themen CHEMIE und ASTRONOMIE. Ich finde diese Bücher allgemeinverständlich gut und interessant geschrieben und die vielen hervorragenden Bilder unterstützen das Begreifen zusätzlich. Diese Bücher eignen sich ganz besonders für Einsteiger die gerne mal erst etwas schnuppern möchten.

Dies ist auch der Grund, warum ich den Text eines der Kapitel aus dem Buch PHYSIK wiedergebe. Die Wiedergabe des Kapitels über die Hauptsätze der Thermodynamik eignet sich gerade noch ohne die Bilder. Alle weiteren Inhalte benötigen zum Verständnis die dazugehörigen Bilder. Dass ich diesen Textteil wiedergebe liegt einzig der Motivation zugrunde, auf das Buch PHYSIK hinzuweisen, um den (eher jüngeren) ELKO-Leser auf den Geschmack zu bringen.

Im Impressum dieser Bücher ist nur kurz vermerkt, dass alle Rechte vorbehalten sind, es steht nichts darüber, dass kein Teil des Inhaltes ohne Rückfrage veröffentlich werden darf, wie dies in den Büchern oft zu lesen ist. Aus diesem Grund entschied ich mich für diesen kleinen Buchauszug,der letztlich dem ELKO-Leser und dem TOSA-Verlag nützlich sein kann.

Ein paar Worte zur Entstehungsgeschichte des Buches PHYSIK. Der Originaltitel ist spanisch und heisst Atlas de Fisica, herausgegeben des Instituto Monsa De Ediciones (S.A. Barcelona). Die Übersetzung, Redaktion und Satz besorgte Dr. Jörg Meidenbauer Verlagsbüro, München und für die deutschsprachige Ausgabe zeichnet der TOSA-Verlag in Wien.


Das Vorwort zu   Wissen im Bild

Mit diesem Basisprogramm des Wissens unserer Zeit werden die Wunder der modernen Naturwissenschaft zugänglich. Jeder der zehn Bände vermittelt das grundlegende Wissen der jeweils behandelnden Disziplin. Astronomie, Anatomie, Biologie, Botanik, Chemie, Geologie, Mineralogie, Ökologie, Physik und Zoologie werden allgemeinverständlich und zugleich fundiert geschildert. So lässt sich jeder Band sowohl als detaillierte Einführung in die jeweilige Forschung wie auch als faktengetreues Nachschlagewerk lesen. Die anschauliche und gleichermassen tiefgreifende wie verständliche Darstellung und die zahlreichen Abbildungen, die eigens für die Serie erstellt wurden, machen die Lektüre zu einem Genuss.



Die Hauptsätze der Thermodynamik

Der nullte Hauptsatz

Angenommen, ein Körper befindet sich im thermischen Gleichgewicht wenn die von ihm empfangene Wärmemenge der abgegebenen der abgegebenen entspricht. Dann ist und bleibt die Temperatur an all seinen Punkten gleich.

Einen paradoxen Fall von thermischem Gleichgewicht, bietet uns ein der Sonne ausgesetztes Eiesenstück. Hat es sein Gleichgewicht erreicht, bleibt seine Temperatur höher als die der äusseren Umgebung, da die ständige Zufuhr der Sonnenenergie dadurch kompensiert wird, dass der Körper abstrahlt und durch Wärmeleitung und durch Konvektion Energie verliert.

Der bekannte Ausspruch "Auf diesem Stein könnte man Spiegeleier braten" lässt sich nur durch die Tatsache rechtfertigen, dass das Gleichgewicht zwischen der Wärme, die der Stein von der Sonne erhalten hat und der, die er selbst abgibt und die der Luft zugeführt wird, erst bei einer Temperatur eintritt, die wesentlich höher als die der unmittelbaren Umgebung ist.

Zwei sich berührende Körper tauschen ständig Wärme aus, wobei mehr Wärme vom wärmeren auf den kälteren Körper strömt als umgekehrt. Setzt man diesen Prozess fort, gelangt man an einen Punkt, an dem ein Gleichgewicht erreicht wird: Die in die eine Richtung fliessende Wärme entspricht der in die entgegengesetzte Richtung fliessende Wärme. Geschieht dieses, haben beide Körper die gleiche Temperatur erreicht. Das ist der sogenannte nullte Hauptsatz: Zwei sich berührende Körper haben die selbe Temperatur, sobald das thermische Gleichgewicht erreicht ist.

Der erste Hauptsatz

Verallgemeinern wir den Energieerhaltungssatz, können wir davon ausgehen, dass eine Veränderung der inneren Energie in einem System der Menge der geleisteten Arbeit und der übertragenen Wärme entspricht. Diese Aussage erscheint logisch, nachdem wir definiert haben, dass Arbeit und Wärme die zwei Arten der Energieübertragung sind und dass diese Energie weder produziert noch zerstört werden kann.

Unter innerer Energie eines Systems verstehen wir die Menge der verschiedenen Energien aller zu ihm gehörenden Teilchen: Kinetische Energie der Translation, der Rotation und der Oszillation, Bindungsenergie, Kohäsionsenergie, usw.

Der erste Hauptsatz ist häufig als die Unmöglichkeit für die Existenz eines Perpetuum-Mobiles erster Art formuliert worden, das heisst, die Unmöglichkeit auf irgend eine Art Arbeit zu leisten ohne dabei Energie aufzunehmen.

Der zweite Hauptsatz

Anhand des ersten Hauptsatzes könnte man Wärme von einem Körper niedriger Temperatur übernehmen und an einen wärmeren Körper weiterleiten. Jedoch zeigt uns die Erfahrung, dass ein solcher Vorgang nicht spontan durchgeführt werden kann. Der zweite Hauptsatz weist die Richtung, in der sich für ein bestimmtes System ein thermodynamischer Prozess vollziehen kann.

Wenn wir Wärme verwenden, um eine Arbeit zu leisten, können wir niemals die gesamte Energie, die von einem hochtemperierten Körper übernommen wird, verwerten, da anschliessend ein Teil dieser Energie wieder zurückgegeben werden muss, um das System einzufrieren und um den Prozess erneut zu beginnen.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik macht es uns unmöglich, eine gegebene Wärmemenge vollständig in Arbeit umzuwandeln. Es wurde auch bereits die Unmöglichkeit beschrieben, ein Perpetuum-Mobile zweiter Art zu erzeugen, d.h. ein Mobile, das mit einem einzigen Medium Wärme austauscht, um Arbeit zu leisten. Ein Beispiel hierfür wäre ein Boot, das sich allein durch Nutzung der Meereswärme fortbewegen würde und dabei das Wasser abkühlt.

Beim Abhandeln dieses zweiten Hauptsatzes spricht man häufig von Entwertung der Energie. Um diese Energieentwertung zu berechnen, definiert man eine Grösse genannt Entropie, die sozusagen die Unordnung der Teilchen in einem System bemisst. Jeder Prozess, der dazu führt, dass sich die Entropie in einem gegebenen Wystem veringert, widerspricht dem zweiten Hauptsatz.

Der dritte Hauptsatz

Manchmal wird unter dem dritten Hauptsatz das Nernstsche Wärmetheorem verstanden. Dieses besagt, dass die Entropie am absoluten Nullpunkt (-273.16 Grad Celsius) gleich Null ist. Diese Aussage macht es unmöglich, den absoluten Nullpunkt mit einer bestimmten Anzahl thermodynamischer Transformationen zu erreichen, denn gemäss dem zweiten Hauptsatz bleibt die Entropie eines geschlossenen und isolierten Systems bestehen oder wird grösser.



Thomas Schaerer, 30.07.2004 ; 27.06.2014