Vorlesungsskript Physik IV - Walther Meißner Institut - Bayerische ...

Abschnitt 10.5 PHYSIK IV 39710.5.5 Die thermodynamischen HauptsätzeUnter einem thermodynamischen Hauptsatz verstehen wir eine fundamentale Beziehung zwischen Zustandsgrößen,die erfahrungsgemäß für alle bekannten Systeme gilt.Der nullte HauptsatzDer nullte Hauptsatz drückt die allgemeine Erfahrung aus, dass Wärme zwar von einem System zu einemanderen fließen kann, der Wärmefluss aber nicht so vor sich geht, dass Wärme freiwillig von einemSystem tieferer Temperatur zu einem mit höherer Temperatur fließt. Allgemein können wir sagen, dassbeim Zusammenfügen von zwei Systeme so lange Austauschprozesse stattfinden, bis sich die intensivenGrößen (Druck, Temperatur, chemisches Potenzial) der beiden Systeme angeglichen haben. Bei derAnnäherung an das thermische Gleichgewicht findet so lange ein Wärmeaustausch statt, bis die Temperaturenbeider Systeme gleich sind. Im Gleichgewichtszustand ändern sich dann die makroskopischenZustandsgrößen der Systeme nicht mehr.Der nullte Hauptsatz beschreibt die Äquivalenz thermischer Systeme und wird üblicherweise wie folgtformuliert:Nullter Hauptsatz:1. Wärme fließt freiwillig nur zu einem Gegenstand niedriger Temperatur.2. Befinden sich zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System,so sind sie auch untereinander im thermischen Gleichgewicht und haben dieselbe Temperatur.Auf dem nullten Hauptsatz beruht die Wirkungsweise eines Thermometers.Der erste HauptsatzErhaltungsgrößen eines Systems sind solche Zustandsgrößen, die sich nicht ändern. Erhaltungsgrößenkönnen deshalb zur Kennzeichnung eines makroskopischen Zustands verwendet werden. Die GesamtenergieE eines abgeschlossenen Systems ist eine solche Erhaltungsgröße. Das Prinzip der Energieerhaltungist in der Physik von fundamentaler Bedeutung. Alle Erfahrung bestätigt die Annahme, dass diesesPrinzip sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene gültig ist.Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass bei der Betrachtung von Energieänderungen einesSystems sowohl die vom System geleistete Arbeit als auch die mit der Umgebung ausgetauschteWärmemenge berücksichtigt werden muss. Die Änderung der inneren Energie eines Systems ist dannbei einer beliebigen Zustandsänderung durch die Summe der mit der Umgebung ausgetauschten Arbeit∆W und Wärme ∆Q gegeben:Erster Hauptsatz:innere Energie = Arbeit + Wärme∆U = ∆W + ∆Q .Hierbei ist ∆W < 0 die vom System geleistete, ∆W > 0 die am System verrichtete Arbeit.Diese Erkenntnis geht auf Robert Mayer (1814 - 1878) und James Prescott Joule (1818 - 1889) zurück,die mit präzisen Experimenten nachweisen konnten, dass Wärme eine spezielle Form der Energie ist.Es gibt die folgenden äquivalenten Formulierungen des 1. Hauptsatzes:2003