Sensors and Actuators - Fachbereich Physik der Universität ...

in einem abgeschlossenen System (d.h. ohne Energie- und Massenaustausch) betrachtet
werden kann. Sie ist gegeben durch den Quotienten aus zu- oder abgeführter Wärmemenge δQ
und der Temperatur T (absolute Temperatur in Kelvin), bei der der Wärmeaustausch mit der
Umgebung erfolgt:
dS ≥ δQ/T
[S] = J/K (Joule pro Kelvin)
wobei das Gleichheitszeichen für reversible (d.h. vollständig umkehrbare Prozesse, die i.d.R.
unendlich ablaufen müssen) gilt, wogegen die Entropie immer zunimmt, sobald ein irreversibler
Teilschritt in dem betrachteten (Umwandlungs-)Prozess auftritt. M.a.W.: Die Gesamtentropie
kann in einem abgeschlossenen System nie abnehmen, sondern bei vollständig reversiblen
Vorgängen bestenfalls konstant bleiben.
Vorgänge, bei denen die Entropie zunimmt, verlaufen von selbst (Selbstorganisation), können
aber nicht ohne anderweitigen Aufwand von Energie rückgängig gemacht werden. Beispiel: Fällt
ein Glas Wasser (bei Raumtemperatur) um, so wird sich immer spontan und irreversibel das
Wasser über den Boden ergießen (Schaffung von „Unordnung“; umgekehrt ist bisher nie
beobachtet worden, dass sich ergossenes Wasser „von sich aus“ wieder im Glas sammelt.
5.3 Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
Der Absolutwert der Entropie wird festgelegt durch den 3.Hauptsatz der Thermodynamik, der
besagt, dass die Entropie am absoluten Nullpunkt der Temperatur null ist.
S = 0 J/K für T = 0.
5.4 Nullter Hauptsatz der Thermodynamik
Alle Systeme, die sich mit einem gegebenen System im thermischen Gleichgewicht befinden,
stehen auch untereinander im thermischen Gleichgewicht – unabhängig von der
Zusammensetzung der Systeme. Diese Systeme haben eine gemeinsame Eigenschaft, sie
haben dieselbe Temperatur. (Für Temperaturmessungen heißt das: Es muss ein thermisches
Gleichgewicht zwischen Umgebung und Sensor abgewartet werden, bis der Sensor die
Temperatur der Umgebung zuverlässig anzeigen kann.)
Zusammenfassung
Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist die thermodynamische Formulierung des
Energiesatzes, nach dem Wärmeenergie und mechanische Energie wechselseitig ineinander
umgewandelt werden können: Führt man einem System die Wärmemenge δQ zu und verrichtet
die äußere Arbeit δW, so nimmt die Zustandsgröße innere Energie U um dU zu, und es gilt
dU = δQ+ δW. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz) gibt die Richtung der
Energieumwandlungen an: Die Entropie kann in einem abgeschlossenen thermodynamischen
System nur zunehmen oder (bei reversiblen Prozessen) höchstens gleich bleiben. Aus beiden
Hauptsätzen folgt die Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile. Nach dem 3.Hauptsatz der
Thermodynamik (nernstsches Wärmetheorem) nimmt die Entropie eines thermodynamischen
Systems bei Annäherung an den absoluten Nullpunkt der Temperatur einen von Druck,
Volumen u.a. Größen unabhängigen Wert (null) an, das heißt, der absolute Nullpunkt ist nicht
erreichbar. Als nullter Hauptsatz der Thermodynamik wird zusätzlich oft die grundlegende
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