Geht es um die Berechnung von Heizungs- oder Kälteanlagen, spielt die Thermodynamik eine wichtige Rolle. Denn die sogenannte Wärmelehre beschreibt, wie verschiedene Zustandsgrößen aufeinander reagieren. Ein Beispiel: Steigt der Druck in einem geschlossenen System, nimmt auch dessen Temperatur zu. Doch wie funktioniert die klassische oder technische Thermodynamik, auf welchen Gesetzmäßigkeiten beruht sie und wo liegt der praktische nutzen?
Deutsche-Thermo gibt einen Überblick über die wichtigsten Begriffe und erklärt, was die drei Hauptsätze der Thermodynamik bedeuten.
Die Themen im Überblick
Definition und Ursprung der klassischen Wärmelehre
Die technische Thermodynamik oder Wärmelehre entwickelte sich zur Zeit der Dampfmaschinen als Teilgebiet der klassischen Physik. Damals ging es darum, thermische in mechanische Energie umzuwandeln. Die Lehre der Wärme ermöglichte es dabei, Zustände und deren Änderung genau zu beschreiben und zu berechnen. Diesem Zweck dient die Thermodynamik auch heute, etwa bei der Entwicklung, Konstruktion oder Dimensionierung von Dampfanlagen, Generatoren, Pumpen, Heizungsanlagen, Klima- oder Kälteanlagen.
Die Thermodynamik unterscheidet verschiedene Systeme
Geht es in der Thermodynamik um Berechnungen und Analysen, sind verschiedene Arten von Zustandsänderungen zu unterscheiden. Eine wichtige Rolle spielt außerdem die Beschaffenheit der betrachteten Systeme, die sich wie folgt von einander abgrenzen lassen:
in offenen Systemen lassen sich Energie- und Stoffströme übertragen
in geschlossenen Systemen ist nur der Austausch von Energie möglich
isolierte Systeme tauschen weder Energie noch Stoffe mit der Umgebung
Neben den Systemen definiert die Thermodynamik auch verschiedene Arten von Prozessen. Diese unterscheiden sich darin, dass sich einzelne Zustandsgrößen nicht verändern. Welche Arten von Prozessen es gibt und was diese charakterisiert, zeigt die folgende Tabelle.
| Art der Zustandsänderung | Beschreibung |
|---|---|
| isotherm | die Temperatur verändert sich nicht |
| isobar | der Druck bleibt konstant |
| isochor | das Volumen ist unveränderlich |
| adiabatisch | es findet kein Wärmeaustausch statt |
Darüber hinaus gibt es in der Thermodynamik auch reversible Zustandsänderungen, die komplett umkehrbar sind. System und Umgebung kommen dabei nach dem Ablauf wieder in ihren jeweiligen Ursprungszustand zurück.
Systeme beobachten und Zustandsgleichungen anwenden
Nach einer freien Definition der Thermodynamik geht es bei der Wärmelehre also um die Zustände oder die Zustandsänderungen in Systemen. Da Größen wie Druck, Temperatur und Volumen voneinander abhängig sind, lassen sich aus Beobachtungen bestimmte Zustandsgleichungen aufstellen. Diese verraten dann beispielsweise, wie sich die Temperatur eines Mediums verändert, wenn der Druck steigt oder wie sich eine Volumenänderung auf die übrigen Zustandsgrößen auswirkt.
Die wichtigsten Begriffe der Thermodynamik verständlich erklärt
In der Wärmelehre sowie einer Thermodynamik-Formelsammlung kommen verschiedene Begriffe zur Anwendung. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick und zeigt, was diese bedeuten.
| Begriffe der Thermodynamik | Erklärung |
|---|---|
| Thermodynamisches System | Hier geht es um die betrachtete Einheit, beispielsweise um das Innere einer geschlossenen Gasflasche. Die Thermodynamik unterscheidet zwischen System und Umgebung, wobei Systeme offen, geschlossen oder isoliert sein können. Entscheidend sind die Möglichkeiten, Energie- und/oder Stoffströme zu übertragen. |
| Thermodynamischer Zustand | Der Zustand eines Systems lässt sich mit extensiven und intensiven Zustandsgrößen beschreiben. Erstere verändern sich beim Teilen eines Systems wie das Volumen oder die Masse. Intensive Zustandsgrößen behalten ihren Wert bei. Beispiele dafür sind Druck und Temperatur. |
| Spezifische Zustandsgrößen | Hierbei handelt es sich um extensive Zustandsgrößen, welche auf eine Masse bezogen sind. Ein Beispiel ist das spezifische Volumen mit der Einheit Kubikmeter pro Kilogramm (m³/kg) |
| Gleichgewichtszustand | In diesem verändern sich thermodynamische Zustandsgrößen nicht mehr. |
| Temperatur | Ein Begriff der täglichen Erfahrung für eine skalare Zustandsgröße. Sind Systeme im Gleichgewicht, haben sie die gleiche Temperatur. Angeben lässt sie sich in Grad Celsius (°C) oder als absolute Temperatur T in Kelvin (K), wobei 0 °C 273,15 K entsprechen. 0 Kelvin definieren wiederum den absoluten Nullpunkt. Hier kommen die Teilchen zum Stillstand, sie haben keine Energie mehr und lassen sich nicht weiter herunterkühlen. |
| Zustandsgleichungen | Diese beschreiben die Zusammenhänge zwischen den Zustandsgrößen der Thermodynamik wie dem Druck, der Temperatur oder dem Volumen in einem, sich im Gleichgewicht befindlichen System. |
| Energie | Vereinfacht ist Energie die Fähigkeit, Wärme abzugeben oder Arbeit zu verrichten. Je mehr Energie ein System enthält, umso mehr Wärme kann es dementsprechend abgeben. |
| Ideales Gas | Ein theoretisch stark verdünntes Gas, welches unabhängig von anderen Einflussgrößen immer das gleiche Verhalten zeigt. |
| Kreisprozess | In der Thermodynamik laufen Kreisprozesse immer wieder ab, wobei das Arbeitsmedium nach einem Zyklus seinen Ausgangszustand wieder einnimmt. Zu unterscheiden sind links- und rechtsläufige Kreisprozesse. Erstere verbrauchen Arbeit (Bsp.: Kältemaschinen oder Wärmepumpen). Rechtsläufige Kreisprozesse liefern hingegen Arbeit (Bsp.: Wärmekraftmaschinen wie Motoren). |
| Carnot-Prozess | Idealer Kreisprozess in der Thermodynamik, der angibt, bis zu welchem Wirkungsgrad Kreisprozesse Arbeit maximal aus Wärme gewinnen. |
| Tripelpunkt | An diesem genau definierten Punkt eines Stoffes liegen die feste, die flüssige und die gasförmige Phase gleichzeitig vor. Unterhalb des Tripelpunktes gehen Gase direkt in Feststoffe über – auf dem Weg dahin entsteht keine Flüssigkeit. |
| Kritischer Punkt | An diesem Punkt gleichen sich Dichten von flüssigen und gasförmigen Phasen eines Stoffes an, sodass kein Unterschied mehr besteht. Darüber ist es nicht mehr möglich, Gase durch Druck zu verflüssigen. |
| Enthalpie (H) | Als thermodynamische extensive Zustandsgröße steht die Enthalpie (H) für die abgegebene oder aufgenommene Energiemenge bei isobaren Prozessen. Entscheidend ist hier das Vorzeichen. Ein negativer Wert sagt aus, dass Systeme Energie abgegeben haben. Die Einheit ist Joule oder Kilojoule (kJ). Formelsammlungen zeigen, dass sich die Enthalpie aus der Summe der inneren Energie und dem Produkt aus Druck und Volumen eines Stoffs bestimmen lässt (H = U + pV). |
| Innere Energie (U) | Die innere Energie (U) in Joule oder Kilojoule (kJ) ist die Energiemenge, die Systemen im thermischen Gleichgewicht für Umwandlungsprozesse zur Verfügung steht. Sie ändert sich nur, wenn Systeme Arbeit und/oder Energie mit ihrer Umgebung aufnehmen. Laut Thermodynamik-Formelsammlung ergibt sich die innere Energie dann aus der Summe der zugeführten Wärme und der zugeführten Arbeit, wobei das System selbst im Ruhezustand bleibt (ΔU = Q + W). |
| Entropie (S) | Die Entropie ist eine extensive Zustandsgröße, die unter anderem eine Aussage über die Umkehrbarkeit von Prozessen erlaubt. Sind Zustandsänderungen reversibel, verändert sich die Entropie, welche in Joule pro Kelvin (J/K) angegeben wird, nicht. Sie steigt hingegen, wenn Prozesse irreversibel sind. Die Entropieänderung lässt sich dabei aus dem Verhältnis der Wärmeänderung und der absoluten Temperatur bestimmen (ΔS = ΔQ/T). Die Entropie selbst ist höher, umso ungeordneter die Teilchen eines Systems sind. Schmilzt Eis zu Wasser, steigt die Entropie, da sich Teilchen im Wasser freier bewegen können. |
| Wärmekapazität | Die Wärmekapazität C beschreibt, wie sich die Temperatur bei Wärmezufuhr verändert. Sie lässt sich in Joule pro Kelvin (J/K) angeben und aus dem Verhältnis von Wärmeänderung und absoluter Temperaturänderung berechnen (C = ΔQ/ΔT). Üblich ist auch die Angabe der spezifischen Wärmekapazität c (kleines „c“), welche in Joule pro Kilogramm und Kelvin (J/kg•K) angibt, wie viel Wärme ein Stoff speichern kann. |
Die Tabelle zeigt die wichtigsten Größen der Thermodynamik und hilft, die folgenden Abschnitte besser zu verstehen.
Interessant zu wissen: Wie beschreibt die Thermodynamik Wärme und Kälte?
In der Thermodynamik ist Wärme, angegeben in Joule (J), die Energie, welche durch Temperaturunterschiede von einem System auf ein anderes oder auf seine Umgebung übergeht. Kühlt sich eine heiße Tasse Tee in einem Raum ab, überträgt sie Energie bzw. Wärme. Der Raum nimmt diese auf, was zu einer Erhöhung der Temperatur führt – auch wenn Letztere in diesem Beispiel kaum spürbar sein dürfte.
Anders verhält es sich in der Thermodynamik mit Kälte. Denn diese gibt es eigentlich nicht. Sie lässt sich vielmehr durch die Abwesenheit von Wärme beschreiben, kommt in der Technik dennoch immer wieder vor. So handelt es sich bei einer Klima- oder Kältemaschine beispielsweise um ein Gerät, welches Wärme aus einem System abführt. Es bringt jedoch keine Kälte ein.
Gesetze der Thermodynamik und ihre praktische Bedeutung
Die Wärmelehre besteht heute aus vier Hauptsätzen, welche die Grundlagen verschiedener Vorgänge definieren. Während es in der klassischen Thermodynamik zwei Hauptsätze (1. und 2. Hauptsatz) gab, kamen bis heute zwei weitere hinzu. Dabei handelt es sich um den 0. und den 3. Hauptsatz. Im Folgenden geben wir einen Überblick über die Inhalte der vier Grundgesetze.
Nullter Hauptsatz der Thermodynamik: Thermisches Gleichgewicht
Der nullte Satz macht eine Aussage zum Gleichgewicht verschiedener thermodynamischer Systeme. Dabei gilt grundsätzlich Folgendes:
Befindet sich ein System A mit einem System B im Gleichgewicht (wenn A = B)
und ein System B befindet sich mit einem System C im Gleichgewicht, (und B = C)
dann sind System A und C automatisch auch im Gleichgewicht. (dann A = C)
Das heißt, dass in allen Systemen die gleiche Temperatur vorherrscht und kein Wärmetransport stattfindet.
Auch wenn diese Erkenntnis nach allen anderen Sätzen der Thermodynamik entdeckt wurde, stellten Wissenschaftler sie an den Anfang. Um die bestehenden und weithin bekannten Gesetzmäßigkeiten nicht noch einmal neu benennen zu müssen, erhielt der Hauptsatz kurzerhand die Nummer „Null“.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik: Satz der Energieerhaltung
Der erste Satz der Thermodynamik besagt, dass Energie zwar umgewandelt, jedoch nicht gebildet oder vernichtet werden kann. Das heißt, dass die innere Energie (U) von der Änderung der Wärme und der Arbeit abhängt. In Formelsammlungen ist dazu folgende Gleichung zu finden:
- ΔU = ΔQ + ΔW
Betrachtet man ein abgeschlossenes System, bleibt die innere Energie daher immer konstant. Bezieht man hingegen die Umgebung mit ein, kann der Wert steigen oder fallen, wenn sich die innere Energie der Umgebung auf umgekehrte Weise verändert. Gibt eine Teetasse Energie ab, bleibt diese also in der Umgebung erhalten – auch wenn sie sich hier vielleicht nicht mehr nutzen lässt.
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik: Satz der Entropie
Der zweite Satz der Thermodynamik konkretisiert den ersten, indem er eine Aussage zur Richtung von Prozessen und Zustandsänderungen macht. Nach dem Satz der Energieerhaltung ist es beispielsweise möglich, dass ein Raum Wärme von einem Eiswürfel aufnimmt, da sich die Energiemenge dabei insgesamt nicht verändert.
In der Realität ist es allerdings so, dass der Eiswürfel Wärme vom Raum aufnimmt, sofern dieser eine höhere Temperatur aufweist. Der Physiker Rudolf Clausius beschreibt das so: „Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist.“
Oder einfacher ausgedrückt: Ohne die Verrichtung von Arbeit geht Wärme nicht von einem Bereich niederer Temperatur auf einen Bereich mit höheren Temperaturen über. Sie strömt immer entlang des Temperaturgefälles vom höheren zum niederen Niveau, um einen Gleichgewichtszustand zu erreichen.
Dritter Hauptsatz der Thermodynamik: Das Nernstsche-Wärmetheorem
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik bezieht sich auf die Grenzen von Zustandsänderungen. Im Detail geht es dabei darum, dass sich ein System in der Praxis nie auf den absoluten Nullpunkt bei einer Temperatur von 0 Kelvin abkühlen lässt. Die Entropieänderung erreicht dabei annähernd den Wert 0. Max Planck schlug vor, der Entropie am absoluten Nullpunkt selbst den Wert 0 zuzuordnen, um Entropien bei höheren Temperaturen messen zu können.
Kreisprozesse: Einfach erklärt am Beispiel der Kältetechnik
Eine besondere Form thermodynamischer Prozesse stellen die sogenannten Kreisprozesse dar. Dabei handelt es sich um periodisch ablaufende Zustandsänderungen, bei denen ein Arbeitsmedium nach jedem Zyklus seinen Ausgangszustand erreicht. Abhängig davon, ob die Prozesse Arbeit benötigen oder abgeben, lassen sich dabei links- und rechtsläufige Kreisprozesse unterscheiden.
Rechtsläufige Kreisprozesse wandeln Wärme in Arbeit um
Setzen Geräte auf rechtsläufige Kreisprozesse, spricht man von Wärmekraftmaschinen. Dazu gehören beispielsweise Motoren, die Wärme aus einer Verbrennung in mechanische Arbeit umwandeln. Möglich ist das, da ein Arbeitsmedium bei niedriger Temperatur verdichtet und bei hoher entspannt wird. Während im ersten Schritt Arbeit aufgewandt wird, entweicht diese im zweiten aus dem System. Die Bilanz ist dabei positiv. Ist das Arbeitsmedium wie bei einem Motor in jedem Zyklus zu erneuern, handelt es sich um einen offenen Kreisprozess.
Linksläufige Kreisprozesse bringen Arbeit auf, um Wärme zu gewinnen
Bei einem linksläufigen Kreisprozess wird das Arbeitsmedium verdichtet und entspannt, wobei sich Wärme abführen lässt. Ein Beispiel dafür sind Klimageräte, Kältemaschinen und Wärmepumpen. Hier nimmt ein spezielles Medium Wärme auf, wobei es verdampft. Ein Verdichter hebt mit dem Druck auch die Temperatur an und Wärme lässt sich nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auf ein anderes System mit niederem Temperaturniveau übertragen. Da sich das Arbeitsmedium im nächsten Schritt regeneriert und selbst den Ausgangszustand erreicht, sprechen Experten hier von einem geschlossenen linksläufigen Kreisprozess.
FAQ: Häufige Fragen und Antworten zur Thermodynamik
Was ist Thermodynamik und warum ist sie wichtig für Heizungs- und Kälteanlagen?
Der Begriff Thermodynamik beschreibt die Wärmelehre, bei der es um die Betrachtung verschiedener Zustandsgrößen in offenen oder geschlossenen Systemen geht. Beispiele für die Größen sind Druck, Temperatur oder Volumen. Sie hängen alle miteinander zusammen und lassen sich nach den Grundlagen der Hauptsätze der Thermodynamik bestimmen. Auf diese Weise ist es also möglich, Heizungs- und Kälteanlagen zu entwickeln, zu bemessen oder zu analysieren.
Was sind thermodynamische Eigenschaften?
Zu den thermodynamischen Eigenschaften gehören alle Größen, mit denen es möglich ist, ein System und dessen Zustand genau zu beschreiben. Dazu gehören beispielsweise Druck, Temperatur und Volumen – aber auch innere Energie oder Entropie.
Was sind die Hauptsätze der Thermodynamik und was bedeuten sie?
Es gibt vier Hauptsätze, welche die Grundlagen der Wärmelehre definieren. Im nullten geht es um die Ähnlichkeit verschiedener Systeme. Der erste Hauptsatz besagt, dass Energie nicht erzeugt werden oder verloren gehen, sondern nur umgewandelt werden kann. Im zweiten Hauptsatz geht es darum, dass Wärme von allein nur vom höheren zum niederen Temperaturniveau strömt und der dritte Hauptsatz besagt, dass sich Systeme in der Praxis nie auf den absoluten Nullpunkt (0 Kelvin) herabkühlen lassen, für die Entropie an diesem jedoch der Wert 0 gilt.
Wie beschreibt die Thermodynamik Wärme und Kälte?
Wärme ist Energie, die durch Temperaturunterschiede von einem System auf ein anderes übergeht. Kälte ist hingegen die Abwesenheit von Wärme und selbst nicht näher definiert. In der Technik bringen Kälteanlagen also keine Kälte ein – sie führen lediglich Wärme aus einem Bereich ab und bringen diese in einen anderen ein. In Letzterem wirken die Anlagen dann als Heizung.
Was versteht man unter Entropie, innerer Energie und Enthalpie?
Entropie, innere Energie und Enthalpie gehören genau wie Temperatur, Druck und Volumen zu den Zustandsgrößen thermodynamischer Systeme. Die Entropie ist dabei ein Maß für die Unordnung in einem System – sie steigt, je mehr Positionen die Teilchen in diesem theoretisch einnehmen können und lässt Rückschlüsse auf die Reversibilität von Prozessen zu. Steigt die Entropie bei einer Zustandsänderung (beispielsweise beim Schmelzen von Eis), ist diese irreversibel. Sie lässt sich von allein nicht umkehren. Die innere Energie ist hingegen die Energiemenge, die Systemen im thermischen Gleichgewicht für Umwandlungsprozesse zur Verfügung steht. Sie ändert sich, wenn Systeme Arbeit oder Wärme von der Umgebung aufnehmen oder an diese abgeben. Die Entropie gibt darüber hinaus an, wie viel Energie bei einem Prozess von einem System auf ein anderes oder auf seine Umgebung übergeht. Das Vorzeichen der Enthalpie lässt dabei Rückschlüsse auf die Richtung des Energietransports zu.
