Thermodynamik

Die Thermodynamik, ein Teilgebiet der Physik mit Anwendung auch in der Chemie, ist das Studium der Energie, deren Umwandlung zwischen verschiedenen Erscheinungsformen und deren Fähigkeit, Arbeit zu leisten. Sie besitzt einen großen Umfang von Themen einschließlich des Wirkungsgrades von Maschinen, Phasenumwandlungen und Zustandsgleichungen. Sie basiert auf den vier Hauptsätzen der Thermodynamik:

Nullter Hauptsatz

Wenn A sich mit B sowie B sich mit C im thermischen Gleichgewicht befindet, so befindet sich auch A mit C im Gleichgewicht.

Anders formuliert, das Gleichgewicht ist transitiv. Dies erlaubt es, eine neue Zustandsgroesse, die empirische Temperatur $\theta$ einzuführen, so dass zwei Systeme genau dann die gleiche Temperatur haben, wenn sie sich im thermischen Gleichgewicht befinden. Dieses Gesetz wurde erst nach den anderen drei formuliert, obwohl es eine wichtige Basis bildet. Deswegen die seltsame Nummerierung.

Erster Hauptsatz

In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant. In einem offenen System ist die Änderung der Gesamtenergie die Summe aus zugeführter Wärme und an das System geleisteter Arbeit reduziert um die abgeführte Wärme und die vom System geleistete Arbeit. Die einzelnen Energieformen können sich ineinander umwandeln, aber Energie kann nicht aus dem Nichts erzeugt oder vernichtet werden.

Dies ist der Satz der Energieerhaltung. Analog kann man sagen, es gibt kein Perpetuum Mobile erster Art. Zu beachten ist jedoch die aus der Relativitätstheorie folgende Äquivalenz von Masse und Energie: Materie und Antimaterie können sich in Energie umwandeln und umgekehrt.

Der erste Hauptsatz als Formel ausgedrückt:

${\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\int _{V_{kv}}^{}\rho \left(u+{\frac {w^{2}}{2}}+gz\right)\mathrm {d} V=\sum _{k}\left[{\dot {m}}\left(h+{\frac {w^{2}}{2}}+gz\right)\right]_{k}+{\dot {Q}}+{\dot {W_{t}}}-p{\frac {\mathrm {d} V_{kv}}{\mathrm {d} t}}$

Zweiter Hauptsatz

In einem abgeschlossenen System nimmt die Entropie nicht ab.

Dieser Satz ist ein Erfahrungssatz. Die statistische Mechanik sagt, es ist physikalisch nicht unmöglich, dass etwas passiert, das den 2. Hauptsatz widerlegt, es ist nur extrem unwahrscheinlich.

Beispiel: Ein am Boden liegender Stein kühlt plötzlich ab und springt in die Luft. Um dies zu erreichen müssten die Atome des Steins, die üblicherweise völlig beliebig um ihre Ruhelage schwingen, alle gleichzeitig nach oben schwingen, was natürlich nicht gänzlich unmöglich ist. Nur sehr unwahrscheinlich. Ein etwas griffigeres Beispiel: Ein Ziegel fällt vom Dach auf die Erde und erzeugt dabei Wärme, die Erde verformt sich. Die Wärme verbreitet sich, der Ziegel kühlt ab. Springt der Ziegel wieder aufs Dach, ist das Loch in der Erde weg, wenn man ein Feuerchen macht?

Die thermodynamische Definition der Entropie beruht auf der Untersuchung reversibler und irreversibler thermodynamischer Prozesse, die das thermodynamische System von einem Anfangs- in einen Endzustand bringen. Während bei einem reversiblen Kreisprozess die Entropie erhalten bleibt, nimmt sie bei einem irreversiblen Prozess (z. B. Reibung) zu. Die Wiederherstellung des (oft 'geordneter' genannten) Anfangszustandes erfordert dann den Einsatz von Energie.

Der Zweite Hauptsatz ist schwer zu verstehen. In der klassischen Mechanik sind alle Vorgänge reversibel (zeitlich umkehrbar). Dagegen findet die Thermodynamik irreversible (zeitlich unumkehrbare) Vorgänge, obwohl die zugrundeliegenden Einzelvorgänge (etwa die Bewegungen der Teilchen eines Idealen Gases) reversibel sind.
Dieser (scheinbare) Widerspruch zwischen Klassischer Mechanik und Thermodynamik wird in der Statistischen Mechanik durch eine Betrachtung der mikroskopischen Zustände weitergehend analysiert. Auch die Verknüpfung von Entropie als einem Maß der Ordnung oder Unordnung eines Systems wird in der Statistischen Mechanik hergestellt.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik hat tiefe philosophische Diskussionen hervorgebracht, weil er die in allen mikroskopischen Systemen bestehende Zeitsymmetrie (die Vergangenheit verhält sich wie die Zukunft) bricht und eine Zeitachse auszeichnet. Teilweise wird versucht, das Wesen der Zeit mit dem Zweiten Hauptsatz zu verstehen.

Schlussfolgerungen

Es sind viele Schlussfolgerungen möglich. Einige davon:

1. Alle natürlichen Prozesse sind irreversibel.
2. Alle Prozesse mit Reibung sind irreversibel.
3. Wärme kann nie von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen. Dazu ist eine Kompensation durch andere irreversible Prozesse notwendig (z. B. Kühlschrank, Wärmepumpe).
4. Das Gleichgewicht isolierter thermodynamischer Systeme ist durch ein Maximalprinzip der Entropie ausgezeichnet.

Einen Versuch, den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu entkräften, machte James Clerk Maxwell mit dem Gedankenexperiment, das heute als der Maxwellsche Dämon bekannt ist. Es entspricht der Schaffung eines Perpetuum Mobile zweiter Art.

== Dritter Hauptsatz == (Nernst'scher Wärmesatz) Am absoluten Nullpunkt der Temperatur ist die Entropie eines perfekten Kristalls gleich Null.

Der 3. Hauptsatz wird auch mit "Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunktes" beschrieben. Mit der Entropie geht nämlich auch die Wärmekapazität gegen 0 was bedeutet es müssen immer grössere Energiemengen aufgewendet werden um die Temperatur zu erniedrigen.

Mit diesem Satz von Axiomen kann die ganze klassische Thermodynamik aufgebaut werden. Einen alternativen Zugang zur Thermodynamik liefert die Statistische Mechanik, die thermodynamische Eigenschaften aus Verhalten einer großen Anzahl von Teilchen (z. B. Gasmoleküle, Atome im Festkörper) zu bestimmen sucht.

In der Chemie und Biologie ist die Thermodynamik ebenfalls von Bedeutung. Sie kann erklären, warum bestimmte Reaktionen freiwillig ablaufen und andere nicht. Insbesondere kann durch den Begriff der Entropie erklärt werden, warum manche Reaktionen freiwillig ablaufen, die Energie benötigen.

Siehe auch

• Portal Physik
• Ideales Gas, Van der Waals-Radius, Gay-Lussac, Boyle-Mariotte, Julius Robert Mayer
• Adiabate, Wärmekapazität, Carnot-Prozess, Irreversibilität
• Thermodynamisches Potential, Innere Energie, Helmholtz-Potential (auch: Freie Energie)
• Tripelpunkt, Isobar, Isotherm, Isochor, Isenthalp, Adiabatisch, quasi-statisch
• Energieerhaltungssatz,Leidenfrost-Effekt

Weblinks

• http://saftsack.fs.uni-bayreuth.de/thermo/skript.html On-line Skript

Literatur

• Allgemein
  • H. B. Callen, Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, Wiley Text Books, 2 edition 1985, ISBN: 0471862568
  • K. Stephan, Franz Mayinger, Thermodynamik, 2 Bde., Bd. 1 Einstoffsysteme, Bd. 2 Mehrstoffsysteme und chemische Reaktionen, Springer Verlag 14. Auflage 1999, ISBN: 3540642501 und 3540644814
• Chemische Thermodynamik:
  • W. Wagner, Chemische Thermodynamik, 4. Auflage, Akademie Verlag, Berlin 1982
  • H.-H. Möbius, Chemische Thermodynamik, VEB Verlag für Grundstoffindustrie, 1973
  • H.-W. Kammer, K. Schwabe, Einführung in die Thermodynamik irreversibler Prozesse, Akademie Verlag Berlin, 1984
  • H.-J. Bittrich, Leitfaden der chemischen Thermodynamik, Verlag Chemie, Weinheim 1971
• Thermodynamik in der Biologie:
  • D. Leuschner, Thermodynamik in der Biologie, Akademie Verlag, Berlin 1989