====== Hauptsätze der Thermodynamik ======
===== Nullter Hauptsatz =====
//Befinden sich zwei thermodynamische Systeme, System A und System B, im thermischen Gleichgewicht, und zusätzlich auch System B mit einem dritten System C, dann befinden sich auch System A und System C im thermischen Gleichgewicht.//
Der nullte Hauptsatz wurde erst nach den Sätzen eins bis drei hinzugefügt, da er aber sehr fundamental ist wird er den anderen dreien voran gestellt. Er besagt, dass thermische Systeme im Gleichgewicht seien können, unabhängig von der Art des Systemes, und sich dann mit allen Systemen mit dem selben thermodynamischen Zustand (Temperatur) im Gleichgewicht befinden. **Thermisches Gleichgewicht** lässt sich hier verstehen als gleiche Temperatur, wobei diese mit genau einem Temperatur-Messverfahren gemessen worden sein muss.
===== Erster Hauptsatz =====
//Eine Änderung der inneren Energie ((dies sind Bewegungs-, die Rotations- und Schwingungsenergien innerhalb eines Systems)) $\Delta U$ eines thermodynamischen Systems ist gleich der zugeführten [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#waerme|Wärme]] $\Delta Q$ plus der [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#arbeit|Arbeit]] $\Delta W$ die das System verrichtet.//
Hierbei ist die vom System verrichtete [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#arbeit|Arbeit]] so definiert, dass wenn das System [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#arbeit|Arbeit]] verrichtet diese negativ ist. Wird am System [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#arbeit|Arbeit]] verrichtet, so ist diese positiv. Da verrichtete [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#arbeit|Arbeit]] proportional ist zu einer Volumenänderung $\Delta V$, lasst sich dies mathematisch aufschreiben als
$$\Delta U = \Delta Q + \Delta W = \Delta Q + p \Delta V \, ,$$
mit dem Druck $p$ des Systems, oder in differentieller Form
$$\Delta U = \mathrm{d}Q-p \mathrm{d}V \, .$$
Dies bedeutet, dass die Bewegungs-, die Rotations- und die Schwingungsenergie eines Systems geändert werden kann, in dem [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#waerme|Wärme]] zugeführt wird oder indem [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#arbeit|Arbeit]] am System verrichtet wird, bzw. indem das System [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#arbeit|Arbeit]] verrichtet oder [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#waerme|Wärme]] abgibt. Beim ersten Hauptsatz handelt es sich also um eine Art von Energieerhaltung. Systeme können gespeicherte Energie nicht nur dadurch abgeben, dass sie [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#arbeit|Arbeit]] verrichten, sondern auch durch Wärmeaustausch.
===== Zweiter Hauptsatz =====
//"Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die Übertragung von [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#waerme|Wärme]] von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist."//
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#waerme|Wärme]] immer vom wärmeren Wärmereservoir zum Kälteren übertragen wird, nie umgekehrt. Dies entspricht der täglichen Erfahrung: Ein Eiswürfel in einem Glas warmen Wassers wird immer schmelzen. Es wird nie der Fall zu beobachten sein, dass der Eiswürfel wächst, weil er thermische Energie, d.h. [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#waerme|Wärme]], an das umgebene wärmere Wasser abgibt. Solche Prozesse wären durch den ersten Hauptsatz alleine nicht verboten, da die Energie trotzdem eine Erhaltungsgröße bliebe.
Der Grund für diese Beobachtung liegt in der vorhandenen Reibung in allen natürlichen Prozessen und in stochastischen Unwahrscheinlichkeiten (siehe [[Entropie]]). Ein springender Ball wird zum Stillstand kommen, alleine schon durch die Deformationsverluste wenn er auf den Boden aufprallt. Er wird aber nie von alleine anfangen zu springen. Dies lässt sich weiter verallgemeinern: In einer Flüssigkeit gelöste Salze werden sich nicht von selbst entmischen, Kondensatoren werden sich immer über einen Widerstand entladen und nicht aufladen und aus einem Gefäß entweichendes Gas wird nicht von selbst wieder ins Gefäß strömen.
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Interpretation des zweiten Hauptsatzes: Die Umwandlung von mechanischer Energie in thermische Energie und die umgekehrte Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie sind nicht gleichwertig. Bei der Umwandlung von thermischer Energie in mechanischer Energie muss immer ein Teil der thermischen Energie als [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#waerme|Wärme]] abgegeben werden. Eine vollständige Umwandlung von mechanischer Energie in thermische Energie ohne Abgabe von [[archiv:quasi-wikipedia:begriffe#waerme|Wärme]] hingegen ist nicht möglich! Daher brauchen Kraftwerke stets einen Kühlturm, über den die Restwärme des Umwandlungsprozesses von thermischer Energie in mechanischer Energie, aus der dann Strom gezeugt wird, abgeführt wird.
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Um obiges Gesetz mathematisch zu formulieren, wird die Zustandsgröße [[Entropie]] $S$ eingeführt. Im Gegensatz zu anderen Zustandsgrößen wie der Temperatur, dem Druck oder dem Volumen, ist die Entropie nicht direkt messbar. Entropie ist ein Maß für Anzahl Mikrozustände die ein Makrozustand einnehmen kann. Da Entropie immer nur zunehmen oder konstant bleiben kann gilt
$$\Delta S \geq 0$$
für alle Prozesse. Dies ist eine äquivalente Definition des zweiten Hauptsatzes.
===== Dritter Hauptsatz =====
//Der absolute Nullpunkt $T=0\, \mathrm{K}$ ist für kein System erreichbar.//
Die Aussage des dritten Hauptsatzes ist experimentell bestätigt. Versucht man ein System immer weiter abzukühlen, z.B. durch Laserkühlung, so erreicht man einen Wert der beliebig klein sein kann, aber nie direkt den absoluten Nullpunkt.