Der 0. Hauptsatz der Thermodynamik

Der 0. Hauptsatz der Thermodynamik befasst sich mit den quantitativen Beziehungen zwischen Wärmeenergien innerhalb von verschiedenen Systemen. Dabei sollte auf die Art des Systems geachtet werden (offen, geschlossen), dass mithilfe der Hauptsätze beschrieben werden soll. Der 0. Hauptsatz der Thermodynamik ist nutzbar, um eine intensive Größe (nämlich die Temperatur) in einem abgeschlossenen System, dass sich im Gleichgewicht befindet, zu bestimmen.

Der 0. Hauptsatz

Der 0. Hauptsatz besagt, dass Systeme, die im thermischen Gleichgewicht miteinander stehen, eine gemeinsame Eigenschaft haben – sie haben dieselbe Temperatur T. Dies bedeutet, wenn sich zwei Körper im thermischen Gleichgewicht befinden, so haben sie die gleiche Temperatur. Stehen zwei Körper mit einem dritten Körper im Gleichgewicht, so sind auch diese drei Körper untereinander im Gleichgewicht.

Was nutzt der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik?

Mit Hilfe des 0. Hauptsatzes kann ausgesagt werden, ob sich zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht befinden, d.h.trotz thermischen Kontakts beider Systeme werden keine Temperaturänderungen beobachtet. Dies ist für technische Anwendungen äußerst wichtig, so kann gesagt werden, dass sich im System befindende Teilchen immer die gleiche Temperatur haben.

Eine weitere wichtige Anwendung des 0. Hauptsatzes ist die Temperaturmessung, da der Nullte Hauptsatz die Existenz der Temperatur beschreibt (für uns heute ist der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik “trivial”, dennoch handelt es sich um ein fundamentales Gesetz der Thermodynamik)

Beispiel zum Nullten Hauptsatz:

Zwei Systeme S1 (Wasser in einem Eimer mit Temperatur T1)  und S2 (heißes Metallstück mit Temperatur T2) befinden sich jedes für sich in einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand. Bei der Vereinigung von S1 und S2 (man wirft das heiße Metall in das Wasser) laufen thermodynamische Prozesse ab, bis sich ein neuer Gleichgewichtszustand eingestellt hat, gekennzeichnet durch eine Temperatur T1+2 für die gilt: T2 > T1+2 > T1


Der 0. Hauptsatz der Thermodynamik – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist der 0. Hauptsatz der Thermodynamik?

Der 0. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass wenn zwei Systeme jeweils im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System sind, sie auch im thermischen Gleichgewicht miteinander sind.

2. Was versteht man unter “thermischem Gleichgewicht”?

Ein thermisches Gleichgewicht liegt vor, wenn kein Energieaustausch in Form von Wärme mehr zwischen zwei Systemen stattfindet.

3. Wie wirkt sich der 0. Hauptsatz auf das Konzept von Temperatur aus?

Der 0. Hauptsatz der Thermodynamik begründet das Konzept der Temperatur. Er stellt sicher, dass die Temperatur eine sinnvolle und universelle Eigenschaft von physikalischen Systemen ist.

4. Wie ist der 0. Hauptsatz der Thermodynamik mit den anderen Hauptsätzen verbunden?

Der 0. Hauptsatz legt die Grundlage für den ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, da er das Konzept der Temperatur etabliert.

5. Wieso heißt es “0. Hauptsatz” und nicht “1. Hauptsatz”?

Er wird “0. Hauptsatz” genannt, da er nach den ersten beiden Hauptsätzen formuliert wurde, aber dennoch als grundlegend für das Verständnis der Thermodynamik gesehen wird.

6. Können Systeme verschiedene Temperaturen haben und dennoch im thermischen Gleichgewicht sein?

Nein, Systeme im thermischen Gleichgewicht haben immer die gleiche Temperatur.

7. Was passiert, wenn zwei Systeme nicht die gleiche Temperatur haben?

Wenn zwei Systeme nicht die gleiche Temperatur haben, findet ein Energieaustausch in Form von Wärme statt, bis sie das thermische Gleichgewicht erreichen.

8. Kann ein System mit sich selbst im thermischen Gleichgewicht sein?

Ja, ein System ist immer in thermischem Gleichgewicht mit sich selbst, da alle Teile des Systems die gleiche Temperatur haben.

9. Welche Rolle spielt der 0. Hauptsatz der Thermodynamik in der Alltagstechnik, z.B. in Fahrzeugmotoren?

Der 0. Hauptsatz der Thermodynamik spielt eine wichtige Rolle in der Alltagstechnik, da er grundlegende Regeln für den Wärmeaustausch aufstellt, die z.B. bei der Kühlung von Fahrzeugmotoren zum Anwendung kommen.

10. Wie bezieht sich der 0. Hauptsatz der Thermodynamik auf den Energieerhaltungssatz?

Der 0. Hauptsatz der Thermodynamik legt die Grundlage für den Energieerhaltungssatz, der besagt, dass Energie weder vernichtet noch erschaffen, sondern nur umgewandelt werden kann. Der Energieaustausch in Form von Wärme ist eine solche Umwandlungsform.