Thermodynamik

Autor: Leandro Alegsa Erstellungsdatum: 1. November 2021

Der allererste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört werden kann, aber sie kann verändert werden. Das Gesetz bildet die Grundlage für das Prinzip der Energieerhaltung. Das bedeutet, dass alles, was Energie verbraucht, die Energie von einer Energieart in eine andere umwandelt. Beispielsweise wird durch körperliche Betätigung die Energie aus der Nahrung in kinetische (Bewegungs-)Energie umgewandelt. Energie kann nicht erzeugt werden und geht niemals verloren. Mit Ausnahme der fortwährenden Bewegung, die ein Rätsel bleibt. Energie ändert nur ihre Form. Menschen können die Veränderungen nutzen, um nützliche Arbeit zu verrichten. Beispiele für Energieformen in der klassischen Mechanik sind Wärme, Licht, kinetische (Bewegung) oder potentielle Energie. In der modernen Physik wird jedoch davon ausgegangen, dass es nur zwei Arten von Energie gibt - Masse und kinetische Energie, auch wenn dies für diejenigen, die mit komplexerer Physik nicht vertraut sind, vielleicht nicht hilfreich ist.

Das Gesetz besagt, dass die Gesamtenergie des Universums eine Konstante ist. Energie kann jedoch von einem Teil des Universums auf einen anderen übertragen werden.

Der von Wissenschaftlern am häufigsten verwendete Wortlaut des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik lautet:

Geschichte

James Prescott Joule war der erste Mensch, der durch Experimente herausfand, dass Wärme und Arbeit umsetzbar sind.

Die erste explizite Aussage des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik wurde 1850 von Rudolf Clausius gemacht: "Es gibt eine Zustandsfunktion E, genannt 'Energie', deren Differential gleich der Arbeit ist, die während eines adiabatischen Prozesses mit der Umgebung ausgetauscht wird".

Thermodynamik und Technik

In der Thermodynamik und Technik ist es natürlich, sich das System als eine Wärmekraftmaschine vorzustellen, die Arbeit an der Umgebung leistet, und festzustellen, dass die durch die Erwärmung hinzugefügte Gesamtenergie gleich der Summe der Zunahme der inneren Energie plus der vom System geleisteten Arbeit ist. Daher ist δ W {\displaystyle \delta W} $\delta W$ die Menge an Energie, die das System aufgrund der Arbeit verliert, die das System an seiner Umgebung leistet. Während des Teils des thermodynamischenZyklus, in dem der Motor Arbeit verrichtet, $\delta W$ ist δ W {\Anzeigestil \delta W} positiv, aber es wird immer einen Teil des Zyklus geben, in dem δ W {\Anzeigestil \delta W} $\delta W$ negativ ist, z.B. wenn das Arbeitsgas komprimiert wird. Wenn δ W {\displaystyle \delta W} $\delta W$ die vom System geleistete Arbeit darstellt, ist das erste Gesetz geschrieben:

d U = δ Q - δ W {\Anzeigestil \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,} $\mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,$

Die Menschen sind sich nicht einig, ob Energie eine positive oder eine negative Zahl ist. So ist δ Q {\dargestellt \delta Q} $\delta Q$ der Wärmestrom aus dem System, und δ W {\dargestellt \delta W} $\delta W$ ist die Arbeit in das System:

d U = - δ Q + δ W {\Anzeigestil \mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,} $\mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,$

Wegen dieser Unklarheit ist es in jeder Diskussion, die das erste Gesetz betrifft, sehr wichtig, die verwendete Zeichenkonvention ausdrücklich festzulegen.

dU = die Änderung der inneren Energie

Q = Wärme

W = Arbeit

Fragen und Antworten

F: Was ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik?

A: Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie weder geschaffen noch zerstört werden kann; sie kann nur von einer Form in eine andere übergehen.

F: Was ist der Grundsatz der Erhaltung der Energie?

A: Der Grundsatz der Energieerhaltung bedeutet, dass alles, was Energie verbraucht, die Energie von einer Energieform in eine andere umwandelt.

F: Kann es jemals ein Perpetuum Mobile geben?

A: Nein, ein Perpetuum Mobile könnte niemals existieren, da es gegen ein fundamentales Gesetz der Physik verstoßen würde, das besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann.

F: Was sind Beispiele für Energieformen in der klassischen Mechanik?

A: Beispiele für Energieformen in der klassischen Mechanik sind Wärme, Licht, kinetische (Bewegung) oder potentielle Energie.

F: Wie viele Arten von Energie gibt es in der modernen Physik?

A: In der modernen Physik geht man davon aus, dass es nur zwei Arten von Energie gibt - Masse und kinetische Energie, auch wenn dies für diejenigen, die mit der komplexeren Physik nicht vertraut sind, vielleicht nicht hilfreich ist.

F: Ist die Gesamtenergie des Universums konstant?

A: Ja, die Gesamtenergie des Universums (oder eines jeden geschlossenen Systems) ist eine Konstante. Allerdings kann Energie von einem Teil des Universums auf einen anderen übertragen werden.

F: Wie lautet die von Wissenschaftlern am häufigsten verwendete Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik?

A: Die gängigste Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik, die von Wissenschaftlern verwendet wird, lautet, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann; sie kann nur übertragen oder von einer Form in eine andere umgewandelt werden.