Haben Sie sich jemals gefragt, wie Wärme wirklich funktioniert? Nun, vor nicht allzu langer Zeit versuchten Wissenschaftler, ihre Dampfmaschinen effizienter zu machen, genau das zu tun. Ihre Bemühungen, den Zusammenhang zwischen Energieumwandlung, Wärme und mechanischer Arbeit (und später den größeren Variablen Temperatur, Volumen und Druck) zu verstehen, wurden als Thermodynamik bekannt, abgeleitet vom griechischen Wort „thermo“ (bedeutet „Wärme“) und „ dynamis“ (bedeutet Kraft). Wie die meisten Gebiete der wissenschaftlichen Forschung unterliegt die Thermodynamik einer Reihe von Gesetzen, die dank laufender Beobachtungen und Experimente realisiert wurden. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, wohl der wichtigste, ist Ausdruck des Energieerhaltungssatzes.
In Übereinstimmung mit diesem Prinzip drückt der erste Hauptsatz aus, dass Energie umgewandelt (d. h. von einer Form in eine andere umgewandelt) werden kann, aber nicht erzeugt oder zerstört werden kann. Es wird normalerweise so formuliert, dass die Änderung der inneren Energie (dh der Gesamtenergie), die in einem System enthalten ist, gleich der dem System zugeführten Wärmemenge abzüglich der vom System an seine Umgebung geleisteten Arbeit ist. Arbeit und Wärme sind auf Prozesse zurückzuführen, die Energie hinzufügen oder entziehen, während die innere Energie eine besondere Form von Energie ist, die mit dem System verbunden ist – eine Eigenschaft des Systems, während die geleistete Arbeit und die zugeführte Wärme dies nicht sind. Ein wesentliches Ergebnis dieser Unterscheidung ist, dass eine gegebene innere Energieänderung durch viele Kombinationen von Wärme und Arbeit erreicht werden kann.
Dieses Gesetz wurde erstmals 1850 von Rudolf Clausius formuliert, als er sagte: „Es gibt eine Zustandsfunktion E, genannt ‚Energie‘, deren Differential gleich der Arbeit ist, die während eines adiabatischen Prozesses mit der Umgebung ausgetauscht wird.“ Es war jedoch Germain Hess (über das Hesssche Gesetz) und später Julius Robert von Mayer, der das Gesetz zuerst formulierte, wenn auch informell. Sie kann durch die einfache Gleichung E2 – E1 = Q – W ausgedrückt werden, wobei E die Änderung der inneren Energie, Q die Wärmeübertragung und W die geleistete Arbeit darstellt. Ein anderer gebräuchlicher Ausdruck dieses Gesetzes, der in naturwissenschaftlichen Lehrbüchern zu finden ist, ist ?U=Q+W, wobei ? steht für Veränderung und U für Hitze.
Ein wichtiges Konzept der Thermodynamik ist das „thermodynamische System“, eine genau definierte Region des untersuchten Universums. Alles im Universum außer dem System wird als Umgebung bezeichnet und ist vom System durch eine Grenze getrennt, die fiktiv oder real sein kann, die aber vereinbarungsgemäß ein endliches Volumen begrenzt. Über diese Grenze hinweg findet ein Austausch von Arbeit, Wärme oder Materie zwischen dem System und der Umgebung statt. Die Thermodynamik befasst sich nur mit der großskaligen Reaktion eines Systems, die wir in Experimenten beobachten und messen können (z. B. Dampfmaschinen, für die die Studie zuerst entwickelt wurde).
Wir haben viele Artikel über den ersten Hauptsatz der Thermodynamik für Universe Today geschrieben. Hier ist ein Artikel über Entropie und hier ist ein Artikel über Hookes Gesetz .
Weitere Informationen zum Ersten Hauptsatz der Thermodynamik finden Sie unter Glenn Research Center der NASA , und hier ist ein Link zu Hyperphysik .
Wir haben auch eine Episode von Astronomy Cast rund um den Planeten Erde aufgenommen. Hör zu, Folge 51: Erde .
Quellen:
http://en.wikipedia.org/wiki/First_law_of_thermodynamics
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/firlaw.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Internal_energy
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/thermo1.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermodynamik
http://en.wikipedia.org/wiki/Laws_of_thermodynamics
