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Hauptsätze der Thermodynamik

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Definition: grundlegende physikalische Aussagen zu Energie und Wärme

Englisch: theorems of thermodynamics

Kategorien: Grundbegriffe, physikalische Grundlagen

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 07.03.2010; letzte Änderung: 23.09.2016

Die drei Hauptsätze der Thermodynamik beschreiben sehr grundlegende und auch für die Energietechnik sehr wesentliche physikalische Einsichten im Zusammenhang mit Energie. Hier sollen die Grundzüge dieser Hauptsätze ohne die Verwendung komplizierter theoretischer Konstruktionen und ohne mathematische Details erläutert werden.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Im Kern geht es beim ersten Hauptsatz um die Energieerhaltung.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik formuliert im Wesentlichen den Umstand der Energieerhaltung im Zusammenhang mit Wärme und Bewegungsenergie. Die gesamte Energie eines abgeschlossenen (von der Umgebung isolierten) Systems bleibt bei allen ablaufenden Prozessen unverändert. Wenn dagegen Energie mit der Umgebung ausgetauscht wird, so nimmt die gesamte Energie des Systems entsprechend der von außen zugeführten bzw. entnommenen Energie zu oder ab.

Im Falle einer Wärmekraftmaschine (etwa der Dampfturbine in einem Kraftwerk) bedeutet dies Folgendes: Im gleichmäßigen Betrieb, in dem die Temperatur und Bewegungsenergie aller Komponenten des Kraftwerks etwa konstant bleibt, muß die pro Zeiteinheit zugeführte Energie der insgesamt abgegebenen Energie entsprechen. Demzufolge ist die abgegebene mechanische Leistung gleich der Differenz der zugeführten und abgeführten Wärmeleistungen. Beispielsweise mag die Turbine in einem KernkraftwerkGW mechanischer Leistung abgeben und 3 GW an Wärmeleistung vom Reaktor beziehen; dann muss die Differenz von 2 GW als Abwärme entzogen werden, z. B. über einen Kühlturm.

Im Falle einer Kältemaschine bedeutet die Energieerhaltung, dass beim Betrieb unvermeidlich Abwärme entsteht. Deren Menge entspricht der erzeugten Kälteleistung plus der Antriebsleistung, da alle aufgenommene Energie als Abwärme abgegeben werden muss.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz bringt weitere Einschränkungen für mögliche Energieumwandlungen. Wir verstehen das heute als Konsequenz der Unmöglichkeit, die Gesamtentropie zu reduzieren.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik schränkt die Möglichkeiten insbesondere bei der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie weiter ein. Im Kern sagt er, dass gewisse Prozesse irreversibel (unumkehrbar) sind:

Es ist trotzdem möglich, Wärmeenergie in Wärmekraftmaschinen (z. B. Turbinen) zumindest teilweise in mechanische Energie umzuwandeln, jedoch nur mit wesentlichen Einschränkungen:

In seiner allgemeinsten Form kann der zweite Hauptsatz mit dem Begriff der Entropie formuliert werden: Möglich sind nur solche Prozesse, bei denen die Entropie insgesamt gleich bleibt oder größer wird. Irreversible Prozesse sind diejenigen, bei denen die Entropie zunimmt.

In der Energietechnik ist es oft vorteilhaft, irreversible Prozesse so weit wie möglich zu vermeiden:

Irreversible Prozesse verursachen oft zumindest indirekt eine Verminderung der Energieeffizienz.

Dritter Hauptsatz der Thermodynamik

Der dritte Hauptsatz ist für die Energietechnik weniger relevant. Er sagt, dass es unmöglich ist, ein System bis zum absoluten Nullpunkt (d. h. auf eine Temperatur von ca. −273 °C) abzukühlen.

Siehe auch: Thermodynamik, Energieerhaltung, Wärme, Kälte, Energie, Entropie, Temperatur, thermodynamisch optimiertes Heizen
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, physikalische Grundlagen

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