Die Hauptsätze
der Thermodynamik sind grundlegende Erfahrungssätze, die aus zahlreichen
Beobachtungen und Messungen gewonnen wurden. Der Begriff "Hauptsatz"
ist ein historischer Begriff, der die fundamentale Bedeutung dieser Gesetze
für die gesamte Physik hervorragend charakterisiert. Verknüpfen
doch die Hauptsätze der Thermodynamik die verschiedenen Teilgebiete
der Physik miteinander und haben trotz aller Umbrüche in der Physik
an ihrer generellen Gültigkeit nichts eingebüßt.
Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist der Energieerhaltungssatz für
thermodynamische Prozesse (Bild 1). Das Prinzip
von der Erhaltung der Energie (Energieerhaltungssatz) wurde erstmals
von J. R. MAYER 1842 und etwas später
H. V. HELMHOLTZ 1847 angegeben.
Die heute bekannte mathematische Formulierung des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik
stammt von RUDOLF CLAUSIUS (1822-1888) und wurde von ihm um 1850 folgendermaßen
formuliert:
Die einem thermodynamischen System zugeführte Wärme ist gleich der Summe aus der Änderung der inneren Energie des Systems und der von ihm verrichteten mechanischen Arbeit.
Für die Vorzeichen gilt dabei folgende allgemein übliche Festlegung:
- Die am System verrichtete Arbeit bzw. die zugeführte Wärme
ist positiv. Die innere Energie wird dabei größer.
- Die vom System verrichtete Arbeit bzw. die abgegebene Wärme ist negativ. Die innere Energie wird dabei kleiner.
Da der 1. Hauptsatz eine Bilanzgleichung
ist, gilt er auch in umgekehrter Richtung, d.h. wird an einem System mechanische
Arbeit verrichtet, so ist diese gleich der Summe aus der Änderung
der inneren Energie und der vom System abgegebenen Wärme. Ein anderer
möglicher Prozess, bestehend aus einer isothermen Expansion und einer
isochoren Verkleinerung des Druckes bei Verkleinerung der Temperatur,
ist in Bild 2 dargestellt.
Der "Vermittler" zwischen zugeführter Wärme und verrichteter
mechanischer Arbeit ist die von Clausius eingeführte Zustandsgröße
innere Energie.
Die innere Energie ist
die Gesamtenergie aller Teilchen (Atome, Moleküle) eines Körpers,
d.h. die Summe der Bewegungsenergien (Translation-, Rotation- und Schwingungsenergien),
der potenziellen Energien sowie der Bindungsenergien. Nähere Erläuterungen
zu dieser Größe sind unter dem Stichwort "innere Energie"
zu finden.
Bedeutung des 1. Hauptsatzes
Mithilfe des ersten Hauptsatzes ist es möglich, Energiebilanzen
für die verschiedenen thermischen Prozesse (isotherme, isochore,
isobare und adiabatische Zustandsänderungen) aufzustellen. Nähere
Erläuterungen dazu sind bei den einzelnen Zustandsänderungen
gegeben. Er ist auch eine entscheidende Grundlage für das Verständnis
der Wirkungsweise von Wärmekraftmaschinen.
Die Bedeutung des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik und des daraus abgeleiteten
allgemeinen Prinzips von der Erhaltung der Energie geht aber weit über
die Physik hinaus. Es ist heute ein Grundprinzip in allen Naturwissenschaften
und fundamental für alle technischen Entwicklungen. Ist doch die
Frage nach dem Wirkungsgrad einer Maschine oder eines technischen Verfahrens
heute oft von entscheidender Bedeutung.
Trotz aller Bemühungen zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist es
bisher nicht gelungen, eine Maschine oder eine Vorrichtung zu bauen, die
fortwährend Arbeit verrichtet, ohne dass Energie in irgendeiner Form
zugeführt wird. Das Bestreben, eine solche Maschine, ein Perpetuum
mobile, zu konstruieren, ist uralt. Die Vermutung dass dies unmöglich
ist, führte schon 1775, mehr als 100 Jahre vor der Formulierung des
Prinzips von der Energieerhaltung, zu dem Beschluss der Pariser Akademie
der Wissenschaften und der Royal Society in London, keine Begutachtungen
von Konstruktionen eines Perpetuum mobile mehr vorzunehmen.
Eine heute übliche Formulierung des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik ist daher auch die über ein Perpetuum mobile:
Es ist unmöglich, eine Perpetuum mobile 1. Art zu konstruieren.
Die Bezeichnung 1. Art bezieht sich dabei auf Vorrichtungen, die im Sinne
des 1. Hauptsatzes mehr äußere Arbeit verrichten als ihnen
Energie zugeführt wird. Sie sind von einem Perpetuum mobile 2. Art
zu unterscheiden. Nähere Erläuterungen zum Perpetuum mobile
sind unter diesem Stichwort zu finden.