Die Hauptsätze der Wärmelehre beschäftigen sich einerseits mit einem Temperaturphänomen: Der absolute Nullpunkt kann nicht erreicht werden. Andererseits beschäftigen sie sich mit einem bekannten Übertragungsphänomen: Wärme fließt von selbst nur von einem heißen zu einem kalten Körper.
Sie beschäftigen sich außerdem mit der Frage, auf welche Arten man Energie übertragen kann: durch Wärme oder durch Arbeit. Ein Schmied kann Eisen heiß machen, indem er es ins Feuer legt (Wärme), oder indem er mit dem Hammer darauf schlägt (Arbeit).
Es gibt unterschiedliche Formulierungen der Hauptsätze. Ursprünglich wurden drei Hauptsätze formuliert. Später wurde ein weiterer ergänzt, der heute als nullter Hauptsatz bezeichnet wird. Er bildet unter anderem die Grundlage für die wissenschaftliche Verwendung von Thermometern.
Wikipedia-Stichworte: Hauptsätze der Wärmelehre, thermisches Gleichgewicht
NULLTER HAUPTSATZ
Wenn zwei Körper die gleiche Temperatur haben, befinden sie sich im thermischen Gleichgewicht. Wenn Körper A und B dieselbe Temperatur haben und ebenso B und C dieselbe Temperatur haben, dann haben auch A und C dieselbe Temperatur.
Erläuterung: Dieser Hauptsatz wurde erst nach den anderen formuliert. Da er jedoch eine grundlegende Bedeutung hat, wurde er als nullter Hauptsatz nummeriert. Er erlaubt es, Thermometer sinnvoll zu verwenden: Wenn ein Thermometer in zwei Systemen denselben Wert anzeigt, haben diese Systeme dieselbe Temperatur.
ERSTER HAUPTSATZ
Die innere Energie eines Systems kann durch Zufuhr von Arbeit oder durch Zufuhr von Wärme verändert werden.
Beispiel: Ein Schmied kann Eisen rotglühend machen, indem er mit dem Hammer darauf schlägt (Zufuhr von Arbeit) oder indem er es ins Feuer legt (Zufuhr von Wärme).
ZWEITER HAUPTSATZ
Wärme fließt von selbst nur von einem heißen System zu einem kälteren System.
Beispiel: Berührt eine warme Hand ein kaltes Eisenstück, wird die Hand kälter und das Eisen wärmer. Der umgekehrte Vorgang – das Eisen wird noch kälter und die Hand noch wärmer – tritt von selbst nicht auf.
DRITTER HAUPTSATZ
Der absolute Nullpunkt der Temperatur −273,16 °C (0 Kelvin) ist unerreichbar.
Erläuterung: Temperatur ist ein Maß für die Bewegungsenergie der Atome. Diese Bewegung kann niemals vollständig zum Stillstand kommen. Darum kann die Temperatur niemals exakt null werden.
WEITERE DEFINITIONEN
In der Wärmelehre ist es wichtig, die Begriffe genau zu unterscheiden. Die wichtigsten sind:
Jeder Körper (jedes „System“) besitzt eine innere Energie U. Sie setzt sich aus der ungeordneten Bewegungsenergie der Atome und aus Bindungsenergie zusammen.
Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie notwendig ist, um die Temperatur von 1 kg eines Stoffes um 1 °C zu erhöhen.
Die Temperatur ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der ungeordnet bewegten Atome eines Systems.
Wärme ist jene Energie, die zwischen einem System und seiner Umgebung aufgrund eines Temperaturunterschieds übertragen wird.
WÄRMEÜBERTRAGUNG
- Wärmeleitung – durch direkten Kontakt (z. B. Hand und Metall)
- Wärmestrahlung – durch elektromagnetische Strahlung (z. B. Sonne, Körper)
- Konvektion – durch Bewegung von Materie (z. B. Thermik)
Wichtige Wörter: Hauptsätze der Wärmelehre, nullter Hauptsatz, erster Hauptsatz, zweiter Hauptsatz, dritter Hauptsatz, thermisches Gleichgewicht, innere Energie, Arbeit, Wärme, Temperatur, absolute Nullpunkt, Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Konvektion
Was muss ich mir merken?
Die Hauptsätze der Wärmelehre beschreiben, wie Energie in Form von Wärme und Arbeit übertragen wird und welche Vorgänge möglich sind – und welche nicht. Temperatur misst nicht Wärme, sondern die Bewegungsenergie der Teilchen. Wärme fließt von selbst nur von warm nach kalt. Energie geht dabei nicht verloren, sie verändert nur ihre Form. Der absolute Nullpunkt kann nicht erreicht werden.