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Hauptsätze der Thermodynamik

Definition: grundlegende physikalische Aussagen zu Energie und Wärme

Englisch: theorems of thermodynamics

Kategorien: Grundbegriffe, physikalische Grundlagen

Autor:

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Ursprüngliche Erstellung: 07.03.2010; letzte Änderung: 14.03.2020

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

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 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:

  • Wärme kann nur von einem wärmen zu einem kälteren Körper fließen (→ Wärmeleitung), nie umgekehrt.
  • Mechanische Energie kann zwar vollständig in Wärmeenergie umgewandelt werden (durch Reibung), aber der umgekehrte Prozess ist unmöglich.

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

  • Man benötigt hierfür zwei Reservoirs mit unterschiedlichen hohen Temperaturen, beispielsweise einen Heizkessel und kaltes Flusswasser.
  • Bei der Umwandlung wird Wärme dem heißen Reservoir entnommen, teilweise (mit einem gewissen Wirkungsgrad) in mechanische Energie umgewandelt, teilweise aber dem kalten Reservoir zugeführt. Der Wirkungsgrad kann hierbei eine gewisse theoretische Grenze nicht übersteigen, die als Carnot-Wirkungsgrad bezeichnet wird. Dieser hängt von den beiden Temperaturen ab; grob gesagt wird er umso kleiner, je ähnlicher die beiden Temperaturen sind. Der tatsächlich erreichte Wirkungsgrad kann aufgrund technischer Unvollkommenheiten noch tiefer liegen. Große Dampfturbinen erreichen heute jedoch annähernd den Carnot-Wirkungsgrad.

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:

  • Jeder irreversible Prozess in einer Wärmekraftmaschine kann deren Wirkungsgrad reduzieren.
  • Die direkte Umwandlung elektrischer Energie in Wärme (etwa in einer Elektroheizung) geschieht zwar mit 100 % Wirkungsgrad, ist aber irreversibel. Ein wesentlich geringerer Grad von Irreversibilität liegt vor bei der Elektrowärmepumpe, die die gleiche Menge von Heizwärme aus deutlich weniger elektrischer Energie gewinnt, indem sie zusätzlich Umgebungswärme nutzt.
  • Auch die Verbrennung von Brennstoffen zur Erzeugung von Niedertemperaturwärme ist irreversibel. Eine höhere Effizienz des Gesamtsystems ist möglich, wenn ein möglichst hoher Anteil als elektrische oder mechanische Energie gewonnen wird (bei der Kraft-Wärme-Kopplung), die dann über eine Wärmepumpe die zusätzliche Nutzung von Umgebungswärme ermöglicht (→ thermodynamisch optimiertes Heizen).
  • Der Wärmefluss aus beheizten Räume in die kalte Umgebung ist irreversibel und so weit wie möglich mit Wärmedämmung zu reduzieren.

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.

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