Thermodynamik ohne Formeln

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist das Gesetz von der Erhaltung der Energie. Er besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Dadurch bleibt der Energieinhalt eines abgeschlossenen Systems konstant. Wie alle Hauptsätze, so lässt sich auch der erste Hauptsatz auf verschiedene, letztlich gleichbedeutende Arten formulieren. Eine alternative Formulierung ist, dass ein Perpetuum mobile 1. Art unmöglich ist. Solche Perpetua mobilia sind hypothetische Maschinen, die nicht nur von selbst laufen, sondern dies ohne jede äußere Antriebsleistung immer schneller tun. Sie würden quasi Energie aus dem Nichts erschaffen. Der Umstand, dass es zwar unzählige Leute schon versucht haben, ein solches Perpetuum mobile zu bauen, daran aber letztlich immer gescheitert sind, zeigt, dass der 1. Hauptsatz wohl korrekt ist. Die Aussage des 1. Hauptsatzes, dass der Energieinhalt eines abgeschlossenen Systems konstant bleibt, führt allerdings oft zu einem Missverständnis. Der Begriff „abgeschlossen“ besagt, dass das System mit seiner Umgebung keine Energie austauschen kann. Bei „offenen Systemen“ ist dies hingegen möglich. Der 1. Hauptsatz gilt aber trotzdem. Es ist lediglich eine andere Schreibweise nötig.

Der 1. Hauptsatz wird im Physikunterricht oft gar nicht als Teil der Thermodynamik gelehrt, sondern in der Mechanik. Dort wird korrekt gelehrt, dass Energie nicht verloren geht, sondern nur eine Energieform in eine andere umgewandelt werden kann. Fällt ein Gegenstand herunter, dann wird potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Wird ein Gegenstand nach oben geworfen, dann wird kinetische Energie zu potenzieller Energie. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich dann jedoch immer, dass diese Gleichsetzung nicht richtig aufzugehen scheint. Ein Gummiball, der auf den Boden fällt, springt anschließend wieder in die Höhe. Allerdings nicht ganz so hoch wie seine urtümliche Fallhöhe. An dieser Stelle könnte der irrige Eindruck entstehen, dass der 1. Hauptsatz der Thermodynamik nicht streng gelten würde. Die kinetische Energie hat sich aber lediglich infolge von Luftreibung in thermische Energie (der Volksmund würde sagen: Wärme) umgewandelt.

Genau hier setzt der 2. Hauptsatz der Thermodynamik an. Die Energie ist durch die Umwandlung von mechanischer in thermische Energie zwar nicht weniger geworden. Sie ist aber weniger nutzbar.

In der Thermodynamik geht es sehr oft um die Umwandlung von Energieformen. Diese lassen sich am besten durch Prozesse beschreiben, bei denen der Zustand eines Mediums in mehreren Schritten geändert wird bevor sich das Medium wieder in seinen Ausgangszustand zurückbegibt. Man spricht deshalb von sogenannten Kreisprozessen. Anhand des Carnot-Prozesses wird zunächst erklärt wie viel elektrische Energie überhaupt aus Wärme gewonnen werden könnte. Anschließend werden die wichtigsten Prozesse für Kraftwerke und Motoren kurz vorgestellt.

Thermodynamik ist nicht nur wichtig, um Maschinen zur Gewinnung von mechanischer Arbeit aus Wärme zu verstehen und zu verbessern. Darüber hinaus erklärt die Thermodynamik eine Unzahl an Phänomenen aus Natur und Technik. In diesem Kapitel wird eine kleine Auswahl davon exemplarisch kurz vorgestellt.

Zum Schluss soll es nochmal ein paar Worte zu den Hauptsätzen geben. Viele Menschen, die einmal eine Thermodynamikvorlesung gehört haben, beantworten die Frage nach der Zahl der Hauptsätze der Thermodynamik mit „zwei“. Für die praktische Anwendung ist das weitgehend richtig, denn mit dem 1. und dem 2. Hauptsatz lässt sich fast die ganze Thermodynamik erklären. Aber eben nur fast.

Es gibt noch einen dritten Hauptsatz. Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines ideal-kristallinen Körpers am absoluten Nullpunkt gleich null ist. Auf gewisse Weise ist das nur eine Definition. Daraus folgen jedoch einige Konsequenzen. Die wichtigste davon ist, dass es unmöglich ist, eine Temperatur unterhalb des absoluten Nullpunkts zu erreichen. Die Temperatur von 0 K ist die tiefstmögliche Temperatur. Kälter kann es nicht werden und um diese wichtige Erkenntnis als fundamentale Grundlage in der Thermodynamik zu verankern, braucht es den 3. Hauptsatz.

Mit drei Hauptsätzen liegt nun eigentlich tatsächlich alles vor, was es braucht, um die Grundlagen der Thermodynamik zu beschreiben. Eigentlich! In Summe sind es nämlich tatsächlich vier Hauptsätze. Hier kommt der 0. Hauptsatz ins Spiel.