Yb Pt Si - Type Yb Pt Si - Type

3.2. THERMODYNAMISCHE GRUNDLAGEN 95Der 2. Hauptsatz definiert irreversible Prozesse: Denn ein Prozess, bei dem die Entropiezunimmt, kann offenbar geschehen, der Rückwärtsprozess jedoch nicht (siehe obige Gasbilder).Die Konsequenz daraus ist: Der 2. Hauptsatz definiert eine Richtung der Zeitachse: Aufder Zeitachse kann man sich nur in Richtung höherer Entropie bewegen. Der 2. Hauptsatzist im übrigen das einzige Naturgesetz oder Axiom, das eine Zeitrichtung kennt. Wenn manbedenkt, wie fundamental es für uns ist, daß die Zeit immer nur in eine Richtung fließt, istdas schon sehr erstaunlich!Der 2. Hauptsatz definiert den ”Wärmetod“ des Universums: Irgendwann wird universellesGleichgewicht im wahrsten Sinne des Wortes, und damit maximale Unordnung, erreichtsein. Nichts wird sich mehr ändern – das Universum hat den Wärmetod erlitten.Man hat also nun eine neue Bedingung, um Gleichgewichte zu bestimmen. Nach wie vorgilt, dass die Energie, also die innere Energie U oder die Enthalpie H, minimal sein sollte.Für viele Massenpunkte – für Materialien – gilt gleichzeitig, dass die Entropie S des Systemsmaximal sein soll. Das ist eine komplizierte Bedingung, denn eine Verkleinerung vonU kann durchaus eine Vergrößerung von S zur Folge haben; man kann also beide Bedingungennicht unabhängig voneinander erfüllen. Man sucht also zwei neue Funktionen, dieEnergie bzw. Enthalpie und die Entropie so verknüpfen, dass diese neuen Funktionen fürdie bestmögliche Kombination von U (bzw. H) und S ein Minimum haben. Diese neuenFunktionen beschreiben dann den Zustand, d.h. den wirklich realisierten Makrozustand ausder Menge der vielen möglichen Makrozustände des Systems; sie sind Zustandsfunktionen.Wir wollen diesen neuen Zustandsfunktionen folgende Namen geben:• Die freie Energie F verknüpft U und S;• die freie Enthalpie G verknüpft H und S.Aus historischen Gründen heißt die freie Energie auch Helmholtz-Energie, nach Hermannvon Helmholtz, einem Physiker des 19. Jahrhunderts; die freie Enthalpie heißt auch GibbsscheEnergie, nach Gibbs, einem berühmten amerikanischen Physiker.Freie Energie und freie EnthalpieDie Thermodynamik – in der klasssischen phänomenologischen oder in der statistischen Form– lehrt wie man zu sinnvollen Definitionen der freien Energie und Enthalpie kommt. Mankann auch qualitativ überlegen, wie man diese Funktionen sinnvoll definieren kann. Ein ersternaheliegender, aber (falscher!) Ansatz wäre z.B.:F = U − S. (3.12)F wird dann, wie gefordert, minimal, falls U möglichst klein und S möglichst groß ist.Natürlicherweise fehlt aber die Temperatur T , da mit fallender Temperatur die Tendenz fürOrdnung zunimmt! Es genügt vollständig, sich ein x-beliebiges Material vorzustellen, und zuüberlegen, was mit seinem Zustand passiert wenn man die Temperatur ändert; z.B. von hohenTemperaturen herkommend abkühlt. Aus einem ungeordneten Gas wird eine Flüssigkeit,dann ein Festkörper. Eine Flüssigkeit ist aber geordneter als ein Gas; ein (perfekter) Kristall