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Physik - 1. Hauptsatz der Thermodynamik

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Physik

1. Hauptsatz der Thermodynamik

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik berücksichtigt zum einen den Energierhaltungssatz, dass die Energie in einem isolierten System konstant ist und zum anderen dass es sich bei der Wärme auch um eine Energieform handelt. 

Daraus kann abgeleitet werden, dass in einem geschlossenen System die Energie nicht konstant ist, sondern sich ändert.

Jeder Stoff besitzt eine innere Energie $U$. Diese setzt sich zusammen aus der Kernenergie, der themischen Energie und der chemischen Energie. Die Änderung dieser inneren Energie erfolgt durch die Zufuhr bzw. Abfuhr von Wärme $Q$ und Arbeit $W$. Dies ist aber nur dann möglich, wenn es sich um ein geschlossenens oder offenes System handelt. Bei einem isolierten System ist eine Zufuhr bzw. Abfuhr von Wärme und Arbeit nicht möglich, die innere Energie ändert sich also nicht (=Energieerhaltungssatz). 

Wird einem geschlossenen System von außen Wärme $Q$ und Arbeit $W$ zugeführt bzw. abgeführt, so ändert sich die innere Energie des Systems:

Methode

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$\triangle U = \triangle Q + \triangle W$

Die Änderung der inneren Energie eines geschlossenen Systems ist gleich der Summe der Änderung der Wärme $\triangle Q$ und der Änderung der Arbeit $\triangle W$.

Dabei wird am System verrichtete Arbeit $W$ bzw. zugeführte Wärme $Q$ mit einem positiven Vorzeichen versehen und vom System verrichtete Arbeit bzw. abgeführte Wärme mit einem Negativen.

Merke

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Bei einem isolierten System kann weder Arbeit $W$ noch Wärme $Q$ entweichen bzw. zugeführt werden. Die innere Energie ändert sich also in einem isolierten System nicht. 

Betrachten wir hingegen ein geschlossenes System, so können Arbeit $W$ und Wärme $Q$ mit der Umgebung ausgetauscht werden und damit ändert sich auch die innere Energie des Systems.

Beispiel

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Wird ein mit Wasser gefüllter geschlossener Topf auf einer Herdplatte erhitzt, so wird über den Topf dem Wasser von außen Wärme $Q$ zugeführt. Das Wasser gibt über die Topfwand natürlich gleichzeitig Wärme an die Umgebung ab.

Zu- und abgeführte Wärme beim Kochen
Zu- und abgeführte Wärme beim Kochen

Ist nun die zugeführte Wärme größer als die abgeführte Wärme, so erhöht sich die innere Energie des Wassers. Das bedeutet wiederum, dass sich die Temperatur des Wassers erhöht, das Volumen zunimmt und damit der Druck ansteigt.