Thermodynamik
Die Gesetze für Wärme, Energie und Entropie – von Dampfmaschinen bis zu Schwarzen Löchern.
0️⃣ Nullter Hauptsatz
Wenn zwei Systeme jeweils im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System stehen, stehen sie auch im thermischen Gleichgewicht miteinander. Dieser grundlegende Satz definiert, was Temperatur bedeutet.
1️⃣ Erster Hauptsatz – Energieerhaltung
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur zwischen Formen umgewandelt werden. Für ein thermodynamisches System: ΔU = Q − W (Änderung der inneren Energie = zugeführte Wärme minus vom System geleistete Arbeit)
2️⃣ Zweiter Hauptsatz – Entropie
Die Gesamtentropie eines isolierten Systems nimmt mit der Zeit immer zu. Wärme fließt spontan von warm nach kalt. Kein Prozess wandelt Wärme zu 100% in Arbeit um. Entropie gewinnt immer.
3️⃣ Dritter Hauptsatz – Absoluter Nullpunkt
Wenn die Temperatur sich dem absoluten Nullpunkt (0 K = −273,15°C) nähert, nähert sich die Entropie eines perfekten Kristalls null. Der absolute Nullpunkt ist theoretisch unerreichbar, aber Wissenschaftler sind auf wenige Milliardstel Grad herankommen.
🔄 Carnot-Wirkungsgrad
Der theoretische Maximalwirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine: η = 1 − T_kalt/T_heiß. Ein Kernkraftwerk mit 300°C Abgas und 600°C Dampf hat einen Maximalwirkungsgrad von ~50%. Reale Anlagen erreichen typischerweise 30–35%.
💨 Ideales Gasgesetz
pV = nRT – Druck × Volumen = Mol × Gaskonstante × Temperatur. Grundlegend für das Verständnis von Wärmekraftmaschinen, Atmosphären, Kühlung und mehr.
🔥 Wärmeübertragung
Wärme bewegt sich durch drei Mechanismen: Wärmeleitung (Kontakt – Metalle), Konvektion (Fluidbewegung – Wasserkühlung eines Reaktorkerns), Strahlung (elektromagnetisch – die Sonne).
📈 Phasenübergänge
Zustandsänderungen (fest → flüssig → gasförmig) finden bei konstanter Temperatur statt, da Energie zwischenmolekulare Bindungen bricht. Latente Wärme ist die Energie, die während eines Phasenübergangs ohne Temperaturänderung absorbiert oder freigesetzt wird.