Die Thermodynamik ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit thermischen
Phänomenen befasst, d.h. mit allen Vorgängen, die von der Temperatur
oder von Temperaturänderungen beeinflusst werden. In der Thermodynamik
spielt eine besondere Form der Energie, die wir als Wärme
bezeichnen, eine zentrale Rolle. Deshalb findet man oft an Stelle von "Thermodynamik"
auch die Bezeichnung Wärmelehre.
Die Thermodynamik ist insbesondere die Lehre von energetischen Vorgängen.
Ihre Kernaussagen sind in den sogenannten Hauptsätzen formuliert: Der Erste
Hauptsatz der Thermodynamik sagt uns, dass es unmöglich ist, eine Maschine
zu bauen, die Energie aus dem Nichts produziert, da die Gesamtenergie eins Systems
immer erhalten bleibt. Die Suche nach dem "Perpetuum mobile", einer
Maschine die aus dem "Nichts" Energie produziert, musste daher erfolglos
bleiben. Die Energie wandelt sich lediglich von einer Energieform in eine andere
um. Wie diese Energieumwandlung abläuft, ob in der Technik (Dampfmaschinen,
Motoren, Heizungen, …) oder in der Natur (Klima
auf der Erde, Transportvorgänge in Zellen, …), das beschreiben
uns die Gesetze der Thermodynamik. Eine Einblick in diese Thematik bietet Ihnen
die vorliegende SLE.
Die Thermodynamik zeigt uns auch, welche Vorgänge spontan und welche nur
unter Energieaufwand ablaufen: Um die Suppe zu kochen, brauche ich Energie,
aber auf dem Tisch kühlt die Suppe von ganz alleine ab. Wer den Zweiten
Hauptsatz der Thermodynamik verstanden hat, weiß, warum Kraftwerke immer
Abwärme erzeugen und warum es nie gelingen kann, thermische Energie vollständig
in mechanische oder elektrische Energie umzuwandeln. Dieser Themenkomplex ist
Gegenstand der SLE "Wärmekraftmaschinen" und wird in dieser Einführung
daher nicht behandelt.
Das Klima
Unsere Erde ist ein riesiges thermodynamisches
System. Sie empfängt nahezu ihre gesamte Energie von der Sonne. Diese
bestimmt die Temperaturen auf der Erdoberfläche und so das Klima in
unserer Atmosphäre. Wenn die Erde ständig Energie von der Sonne
aufnimmt, sollte ihre Temperatur ständig ansteigen. Tatsächlich
ist die mittlere Oberflächentemperatur der Erde konstant. Dies ist
nur möglich, wenn die Erde im Mittel ebenso viel Energie in den Weltraum
Die Erde, aufgenommen von Apollo
17. Quelle:NASA/NSSDC
abgibt, wie sie von der Sonne empfängt, wenn also ein Gleichgewicht herrscht.
Die Thermodynamik gibt uns Antworten auf die Frage, welche Faktoren dieses Gleichgewicht
stören können.
Aufsteigender Wasserdampf kühlt sich ab, das Wasser kondensiert und fällt
schließlich als Niederschlag zu Boden. Es wird von den Planzen aufgenommen.
Ebenso verdunstet es aus den Ozeanen und den Pflanzen. Das Wasser der Ozeane
bildet ein enormes Energiereservoir, das dafür sorgt, dass sich die Temperaturen
in der Atmosphäre zwischen Tag und Nacht sowie zwischen Sommer und Winter
nur verhältnismäßig wenig ändern. Es sorgt so für
ein gemäßigtes Klima. Alle diese Vorgänge erfolgen
nach den Gesetzen der Thermodynamik.
