Die
Hauptsätze
der Thermodynamik, auch Hauptsätze
der Wärmelehre genannt, sind grundlegende Erfahrungssätze,
die aus zahlreichen Beobachtungen und Messungen gewonnen wurden. Der Begriff
"Hauptsatz" ist ein historischer Begriff. Ihrem Wesen nach sind
die Hauptsätze der Wärmelehre physikalische
Gesetze.
Während der 1. Hauptsatz der Thermodynamik der Energieerhaltungssatz
für thermische Prozesse ist damit energetisch mögliche Prozesse
beschreibt, macht der 2. Hauptsatz der Thermodynamik eine Aussage über
die Richtung
der Energieübertragung. Untersucht
man Prozesse der Energieumwandlung und der Energieübertragung, die
in der Natur vor sich gehen, so stellt man fest, dass von außen unbeeinflusste
Vorgänge immer in einer bestimmten Richtung ablaufen und von selbst
nie in der umgekehrten Richtung.
So gibt z. B. heißer Tee (Bild 1) solange Wärme an die Umgebung
ab, bis seine Temperatur gleich der Umgebungstemperatur ist. Große
Wasserflächen erwärmen sich bei Sonneneinstrahlung allmählich.
Dabei geht Wärme von der wärmeren Luft auf das kältere Wasser
über, nie aber vom kälteren Wasser auf die wärmere Luft.
Öffnet man das Fenster eines geheizten Zimmers, so erfolgt allmählich
eine Abkühlung. Wärme geht vom Zimmer an die kühlere Umgebung
über, nie in der umgekehrten Richtung.
Alle Erfahrungen über die Richtung der Energieübertragung bei
Vorgängen in Natur und Technik sind im 2.
Hauptsatz der Thermodynamik zusammengefasst. Er besagt:
Wärme geht niemals von selbst von einem Körper niederer Temperatur zu einem Körper höherer Temperatur über.
Diese historisch älteste Formulierung geht auf den deutschen Physiker ROBERT CLAUSIUS (1822-1888) zurück, der den 2. Hauptsatz erstmals formuliert hat.
Für dieses Gesetz gibt es weitere Formulierungen, die physikalisch gleichwertig sind. Die wichtigsten Formulierungen sind:
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In einem abgeschlossenen, sich selbst
überlassenen System kann sich die Entropie niemals verkleinern.
Sie kann nur konstant bleiben oder zunehmen:  |
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Es gibt kein Perpetuum
mobile 2. Art. Ein Perpetuum mobile 2. Art wäre eine Anordnung, die unaufhörlich Wärme aus einem großen Wasserbehälter konstanter Temperatur entnimmt und sie in mechanische Arbeit umwandelt. Ein solcher Vorgang steht nicht im Widerspruch zum Energieerhaltungssatz, geht aber nicht von allein vor sich. |
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Die Energie eines Körpers kann nicht allein an Wert gewinnen. Es gibt die Tendenz zur Entwertung der Energie (R. CLAUSIUS). |
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Es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu bauen, die nichts weiter bewirkt, als eine Last zu heben und einen Wärmespeicher abzukühlen (MAX PLANCK). |
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Die Natur strebt aus einem unwahrscheinlicheren dem wahrscheinlicheren Zustand zu (L. BOLTZMANN). Der wahrscheinlichste Zustand ist immer der der größtmöglichen Unordnung. |
Bedeutung des 2.
Hauptsatzes der Thermodynamik
Der 2. Hauptsatz ist überaus bedeutsam für die Nutzung von Energie
und den Ablauf von Vorgängen. Er gilt nicht nur für physikalische,
sondern auch für biologische oder chemische Systeme und ist damit
ein grundlegender Erfahrungssatz für die gesamten Naturwissenschaften.
So entsteht z. B. bei vielen Vorgängen in Natur und Technik durch
Reibung thermische Energie, die
in Form von Wärme an die
kühlere Umgebung, z. B. an die umgebende Luft, abgegeben wird. Diese
thermische Energie kann der Umgebung von allein weder entzogen noch nutzbar
gemacht werden. Die ursprüngliche Energie wird entwertet. Man bezeichnet
deshalb den 2. Hauptsatz der Thermodynamik auch als Gesetz
von der Entwertung der Energie.
Will man die Richtung von selbst ablaufenden Vorgängen
umkehren, so ist auf jeden Fall ein zusätzlicher Energieaufwand erforderlich.
Das ist z. B. bei Wärmepumpen
der Fall, mit deren Hilfe aus Wasser niedriger Temperatur solches höherer
Temperatur gewonnen wird. Dazu muss aber elektrische Energie zugeführt,
der Vorgang also von außen "angetrieben" werden.