Hauptsätze der Thermodynamik

Hallo, ich bin euer Physik Siggi. Heute werde ich euch die Hauptsätze der Thermodynamik erklären. Dafür werde ich euch zeigen, was Wärme ist und was die innere Energie eines Körpers darstellt. Außerdem wiederhole ich mit euch, was Arbeit verrichten bedeutet und ich werde euch kurz die Entropie näherbringen. Ihr braucht dafür ein Verständnis von der physikalischen Kraft.  Was ist Wärme? Wärme wird auch als Wärmeenergie bezeichnet. Sie ist also eine Form von Energie. Genau gesagt, ist es genau die Energie, die ein warmer Körper an einen kalten überträgt. Zum Beispiel überträgt das heiße brennende Holz Energie an die Luft. Damit wird die Luft warm. Die innere Energie der Luft ist größer geworden. Das heißt, die Luftteilchen bewegen sich schneller und damit ist die Luft wärmer. Die innere Energie ist also die Bewegungsenergie aller Teilchen in einem Körper. Je schneller sich die Teilchen eines Körpers bewegen, desto größer ist seine innere Energie und auch desto größer ist seine Temperatur. Auch ein fester Stoff hat eine innere Energie. Hier schwingen die kleinsten Teilchen eines Stoffes um ihre eigene Ruhelage.  Der Begriff der Arbeit ist bekannt. Wenn ich mit der Kraft F etwas um die Strecke s bewege, so verrichte ich Arbeit. Zum Beispiel, wenn ich diesen Stein hier rolle, so arbeite ich. Oder wenn ein Einkaufswagen geschoben wird oder wenn ein Schmied mit dem Hammer das Eisen etwas zerdrückt. Jedes Mal, wenn ich wie dieser Schmied an einem Körper Arbeit verrichte, so wird die Energie der Arbeit in innere Energie umgewandelt. Die kleinsten Teilchen des Eisens werden durch den Hammerschlag gezwungen, stärker zu schwingen. Schwingen sie stärker, so ist die innere Energie größer geworden. Damit ist auch die Temperatur des Eisens größer geworden.  Wie hängen nun die Wärme, die innere Energie und die Arbeit zusammen? Die Vorgänge zwischen ihnen werden als Thermodynamik oder auch als Wärmelehre bezeichnet. Man kann die innere Energie eines Körpers durch Zufuhr von Wärme und durch mechanische Arbeit steigern. Die innere Energie eines Körpers ist danach größer als vorher. Die Differenz aus beiden ist gleich die Summe aus zugeführter Arbeit und Wärme. Dies ist der 1. Hauptsatz der Thermodynamik. Zum Beispiel steigt die innere Energie des Wassers, wenn der Kochtopf auf der heißen Herdplatte steht. Es wird Wärme übertragen. Oder die innere Energie des Eisens steigt, wenn an demselben Arbeit verrichtet wird. Es kann also keine innere Energie aus dem Nichts heraus entstehen. Es muss immer Wärme oder mechanische Arbeit in innere Energie umgewandelt werden. Zum Beispiel wenn ihr einen Stein anhebt, dann habt ihr mechanische Arbeit an dem Stein verrichtet. Ihr lasst los und die Arbeit verwandelt sich beim Aufprall in innere Energie. Der Stein wird wärmer. Der 2. Hauptsatz schränkt die Gleichwertigkeit von Arbeit und Wärme des 1. Hauptsatzes ein. Er lautet folgendermaßen: Es ist unmöglich eine Maschine zu bauen, die ständig Arbeit liefert und dabei nur einen einzigen Körper abkühlt. Bisher gilt: Aus Arbeit wird innere Energie. Wie rum Beispiel beim Stein, der auf den Boden fällt und sich dabei erwärmt. Jedoch ist es unmöglich, dem Stein innere Energie zu entziehen, sodass er kälter wird und ihn damit zum Anheben zu bewegen. Das würde bedeuten, dass die Menschheit ihr komplettes Energieproblem lösen könnte, indem sie die innere Energie des Bodens nutzen würde, ihn also weiter abkühlen lassen würde, um damit mechanische Arbeit verrichten zu können. Die mechanische Energie kann man dann in elektrische Energie umwandeln. Der 2. Hauptsatz verbietet dies jedoch. Innere Energie kann nämlich nur dann in mechanische Arbeit umgewandelt werden, wenn ein Teil der inneren Energie als Wärme vom wärmeren zum kälteren Körper übergeben wird. Wie dies funktioniert, werdet ihr im Video "Die Wärmekraftmaschine" lernen. Ihr kennt wahrscheinlich zwei weitere Arten des 2. Hauptsatzes der Wärmelehre. Es gibt kein Perpetuum Mobile 2. Art. Ein Perpetuum Mobile 1. Art ist, dass ein System mehr Energie abgibt als man hineinsteckt. Zum Beispiel: Man schiebt ein Auto einmal an und es fährt immer weiter, ohne weitere Energien von außen zu benötigen. Man braucht also kein Benzin. Dies verstößt gegen den Energieerhaltungssatz. Ein Perpetuum Mobile 2. Art ist eine Maschine,  die aus einer Quelle Wärme entnimmt und alles ohne Verlust in Arbeit umwandelt. Wie eben der Stein, den man zum Schweben bringt, indem man dem Stein Wärme entzieht. Das verstößt allerdings gegen den 2. Hauptsatz der Wärmelehre.  Die letzte Variante für den 2. Hauptsatz führt uns auf den Begriff der Entropie. Sie ist ein Maß für die Unordnung in einem System. Jedes System strebt immer maximale Unordnung an. Wie eben der Stein, den man zum Schweben bringt, indem man dem Stein Wärme entzieht. Zum Beispiel würde ein Gasgemisch, dass vorher streng und ordentlich links nur rote Teilchen und rechts nur blaue Teilchen hat, sich vermischen, weil das System nachher maximal unordentlich sein will. Die Änderung der Entropie ist demnach größer als Null.  Zuletzt noch der 3. Hauptsatz der Wärmelehre: Kein System kann jemals den absoluten Nullpunkt erreichen. Das heißt, dass die Temperatur 0K, also -273°C, gar nicht existiert. Die Teilchen schwingen immer ein kleines bisschen.  Ich hoffe, ihr habt jetzt einen kleinen Überblick über die Hauptsätze der Thermodynamik. Im nächsten Video gucken wir uns die Wärmekraftmaschine an. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.