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Die spezifische Wärmekapazität „c” ist eine auf eine Masseneinheit des Materials bezogene material-spezifische Eigenschaft, welche die Wärmemenge in Joule ausdrückt, die notwendig ist, damit die Temperatur von 1 kg Material um 1 K ansteigt. Sie ist gleich der spezifischen Enthalpie je Kelvin.
Tabelle 2: spezifische Wärmekapazität einiger Stoffe
Abb. 5: Wärmeenergiebilanz für die Erwärmung von 1 kg Wasser
1.1.2.3. Hauptsätze der Thermodynamik
0. Hauptsatz der Thermodynamik
Der 0. Hauptsatz - entsprechend des durch den Physiker Ralph H. Fowler zuerst genutzten Begriffes - ist in Wirklichkeit nicht nur ein einziges (und auch nicht das zuerst entdeckte bzw. formulierte) Gesetz. Da dieser Hauptsatz aber durch die Einführung der Temperatur als physikalische Zustandsgröße grundlegend für die gesamte Thermodynamik und die anderen Hauptsätze ist, wurde er mit der Nummerierung „0“ an den Anfang gestellt.
In jedem geschlossenen (von äußeren Einflüssen abgegrenzten) thermodynamischen System stellt sich nach einer gewissen Zeit ein thermisches Gleichgewicht ein. Mit anderen Worten: überall stellt sich eine gleiche Temperatur ein.
Der thermische Gleichgewichtszustand ist stabil, d.h. ohne äußeren Einfluss ändert er sich nicht.
Das thermodynamische Gleichgewicht ist transitiv, d.h. stehen zwei Systeme jeweils mit einem dritten im thermodynamischen Gleichgewicht, so stehen sie auch untereinander im Gleichgewicht.
I. Hauptsatz der Thermodynamik
Die Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant. Dies ist das Energieerhaltungsgesetz geschlossener (isolierter) thermischer Systeme, eine spezielle Form des Energieerhaltungsgesetzes der Mechanik. Anhand physikalischer Vorgänge können Energien zwar ineinander umgewandelt werden, können aber nicht gebildet, bzw. vernichtet werden. Geht also ein geschlossenes System auf irgendeine Weise von einem Zustand in den anderen über, dann bleibt hierbei die Summe der Werte für Arbeit W und Wärmemenge Q konstant. Diese, mit der sogenannten inneren Energie U gekennzeichnete Summe, ist jederzeit gleich groß, unabhängig vom Verteilungsverhältnis zwischen Arbeit und Wärmemenge.
Das Energieerhaltungsgesetz - auf die thermischen Vorgänge angewandt - wird als 1. Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet und dem Physiker Rudolph Clausius zugeschrieben.
Gl. 2
Legende:
| dU ... | Änderung der inneren Energie [Ws oder J] |
| dQ ... | Änderung der Wärmeenergie [J] |
| dW ... | verrichtete Arbeit [Nm] |
Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik sagt damit aus, dass Wärme und mechanische Arbeit adäquat zueinander sind und damit eine bestimmte Wärmemenge einer bestimmten mechanischen Arbeit entspricht.
Die unterschiedlichen Energieformen sind also miteinander ersetzbare physikalische Größen, weshalb auch die physikalischen Einheiten für Energie, Wärme und mechanische Arbeit gleichgesetzt werden können. Die Umrechnung zwischen den Teilgebieten der Physik - Wärmelehre, Kinematik und Energetik - lauten dementsprechend wie folgt:
Abb. 6: Rudolf Julius Emanuel Clausius deutscher Physiker und Mathematiker (1822 - 1888) (Wikipedia, gemeinfrei [A2], Ausschnitt durch Autor bearbeitet)
II. Hauptsatz der Thermodynamik
Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt die thermische „Richtung“ der Zustandsänderungen. Ebenfalls durch Rudolph Clausius formuliert, lautet dieser in seiner klassischen Form:
„Ohne äußere Einwirkung geht keine Wärme von einem kälteren Körper in einen wärmeren Körper über.“
Daraus ergibt sich zwangsläufig, dass der umgekehrte thermische Prozess (d.h. die Erwärmung eines wärmeren Körpers durch einen kälteren Körper) nur durch die Verrichtung von Arbeit hervorgerufen werden kann. Als technisches Beispiel hierfür ließe sich die Wärmepumpe erwähnen, in welcher neben der Wärmeenergie des kalten Mediums mechanische Arbeit (über die Kompression eingebrachte elektrische Energie) für die Temperaturerhöhung notwendig ist.
Aus dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik folgt weiterhin, dass thermische Energie nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar ist. Dies schließt als Schlussfolgerung auch die mögliche Existenz von thermodynamischen Perpetuum Mobile aus.
III. Hauptsatz der Thermodynamik
Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik lautet: „Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist unerreichbar.“
Als Nullpunkttemperatur wird die Temperatur (-273,15 °C bzw. 0 K) bezeichnet, wo die Körper keine innere Energie mehr besitzen (also U = 0 ist).
1.1.3. Wärmeübertragung - Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung
Thermische Energie - in der Umgangssprache Wärmeenergie - kann auf verschiedene Arten übertragen werden. Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik kann Wärme nur von einem Medium mit höherer Temperatur auf ein Medium mit niedrigerer Temperatur übertragen werden. Für das Zustandekommen eines Wärmeübertragungsprozesses ist also das Vorhandensein einer Temperaturdifferenz notwendig. Es werden hierbei die folgenden - voneinander unabhängig, aber auch gemeinsam (gleichzeitig) auftretenden - Übertragungsarten unterschieden:
Wärmeleitung (in Festkörpern und in ruhenden Gasen bzw. Flüssigkeiten)
Konvektion (zwischen strömenden Flüssigkeiten bzw. Gasen und festen Körpern)
Wärmestrahlung (elektromagnetische Welle bzw. Photon, benötigt kein Übertragungsmedium)
Abb. 7: Formen der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung
1.1.3.1. Wärmeleitung (in festen Körpern*)
Wärmeleitung tritt auf, wenn innerhalb eines festen Körpers eine Temperaturdifferenz auftritt oder wenn Körper (feste Medien) mit unterschiedlichen Temperaturen in direktem Kontakt miteinander stehen. In diesem Fall übergeben die Teilchen des Mediums mit höheren Temperaturen, also mit höherer kinetischer Energie, einen Teil ihrer Energie auf die sie umgebenden Teilchen mit niedrigerer Temperatur. Die Energie und damit die Temperatur der Letzteren nimmt zu. Als stationärer Zustand der Wärmeleitung wird der Gleichgewichtszustand bezeichnet, der dann erreicht ist, wenn sich die Körpertemperaturverteilung über die Zeit nicht mehr ändert (also konstant ist).
Der Vorgang der Wärmeleitung lässt sich