Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Energie eines abgeschlossenen Systems konstant ist (Energieerhaltung in der Thermodynamik).

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Genauso wichtig ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Um ihn sinnvoll diskutieren zu können, muss man jedoch erst den Begriff der Entropie $S$ einführen.

Nimmt ein Körper bei einer Temperatur $T$ (absolute Temperatur, also Temperatur über dem Nullpunkt) eine bestimmte Wärmemenge $\Delta W$ auf, so nimmt er damit auch eine bestimmte Entropie $\Delta S$ auf, die durch folgende Beziehung gegeben ist:$$\Delta S = \frac{\Delta Q}{T}.$$

Kommt nun bei einer Temperatur von $T$ ein Pendel mit einer anfänglichen Energie von $\Delta W$ durch Reibung zur Ruhe (wobei $\Delta W$ vollständig in Wärme $\Delta Q$ umgewandelt wird), so wird eine bestimmte Entropie erzeugt, welche durch die angegebene Gleichung berechnet werden kann.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt nun, dass die Gesamtmenge der Entropie in einem abgeschlossenen System nie abnimmt, bei irreversiblen Prozessen sogar zunimmt. Das einfachste Beispiel dafür ist der von selbst stattfindende Wärmeübergang von Körpern höherer Temperatur zu Körpern niedrigerer Temperatur. Dieser Prozess findet von selbst statt, die Entropie steigt.

Beim umgekehrten Prozess würde die Entropie sinken, weshalb er nicht von selbst stattfindet. Der Grund dafür liegt in der Wahrscheinlichkeit des „verbotenen“ Prozesses. Er ist nicht durch den Energieerhaltungssatz verboten, sondern nur derart unwahrscheinlich, dass er nie stattfinden wird. Mit anderen Worten ist er durch den ersten Hauptsatz der Thermodynamik zwar erlaubt, durch den zweiten aber verboten.

Im Beispiel des Pendels bedeutet dies, dass die unordentlich hin- und herschwingenden Luftmoleküle (deren Bewegung Wärmeenergie beinhaltet) nicht anfangen werden, das Pendel so koordiniert anzustoßen, dass es wieder zu schwingen beginnt und die Luft dabei etwas kühler wird. Dadurch würde die Entropie abnehmen, aber erfahrungsgemäß passiert dies nie.