Die Hauptsätze der Thermodynamik sind grundlegende Erfahrungssätze, die aus zahlreichen Beobachtungen und Messungen gewonnen wurden. Der Begriff "Hauptsatz" ist ein historischer Begriff, der zunächst nur für den ersten und zweiten Hauptsatz verwendet wurde. Verknüpfen doch diese beiden Hauptsätze der Thermodynamik durch ihre Allgemeingültigkeit die verschiedenen Teilgebiete der Physik miteinander.
Für einen axiomatischen Aufbau Thermodynamik als Teildisziplin ist
der Begriff des thermischen Gleichgewichts (gleiche Temperatur) von zentraler
Bedeutung. Gehen doch thermodynamische Systeme nach Vorgängen, die
mit Zustandsänderungen verbunden sind, nach kurzer Zeit von selbst
in einen thermischen Gleichgewichtszustand über. Das bedeutet, dass
die Zustandsgrößen zeitunabhängig sind. Dieses Streben
nach Temperaturausgleich wird daher heute oft als nullter Hauptsatz der
Thermodynamik bezeichnet. Er kann wie folgt formuliert werden:
Werden zwei thermodynamische Systeme (Körper)
miteinander in Kontakt gebracht, so gleichen sich ihre Temperaturen in
endlicher Zeit aus.
Die Temperatur wird auch nach
einer Trennung der Systeme beibehalten, wenn keine Wärmeübertragung
zwischen Systemen und Umgebung erfolgt.
In Bild 1 ist der typische Verlauf der Temperaturen für zwei Körper
dargestellt, die sich in engem Kontakt befinden. Während sich der
kältere Körper erwärmt, verringert der wärmere Körper
seine Temperatur solange, bis beide Körper die gleiche Temperatur
haben.
Diese Eigenschaft thermodynamischer Systeme ist Grundlage für viele
Temperaturmessungen.
Dabei ist der eine Körper derjenige, dessen Temperatur gemessen werden
soll und der andere ist das Thermometergefäß oder der Temperatursensor.
Für den Temperaturausgleich zwischen Thermometer und Körper
ist eine bestimmte Zeit erforderlich. Erst nach dem Einstellen des thermischen
Gleichgewichts sollte die Temperatur gemessen werden, da sonst ein größerer
Messfehler entsteht.
Bei modernen Thermometern wird der Temperatursensor so klein gebaut, dass
der Temperaturausgleich sehr schnell erfolgt und man bereits nach kurzer
Zeit den richtigen Wert für die Temperatur ablesen kann. Das wird
z. B. bei modernen Fieberthermometern genutzt.
Nicht immer ist allerdings eine Temperaturmessung durch einen direkten
Kontakt zwischen Körper und Thermometer möglich. Für die
Messung von sehr hohen Temperaturen, wie sie bei glühender Lava eines
Vulkanausbruchs oder in der Schmelze von Metallen auftreten, müssen
andere Verfahren verwendet werden, weil bei einem direkten Kontakt das
Thermometer zerstört werden würde. In solchen Fällen kann
man z.B. spektroskopische Eigenschaften nutzen.