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Thermodynamik: Hauptsätze

0. Hauptsatz

Befindet sich ein Körper A mit Körper B und C im thermischen Gleichgewicht, so befindet sich auch B mit C im thermischen Gleichgewicht.

Dies ist die Grundlage der Termperaturmessung mit einem Thermometer: Das System 'Thermometer' (A) zeigt beim thermischen Kontakt mit einem Körper B genau die Temperatur an, die es anzeigt, wenn es mit Körper C im thermischen Gleichgewicht ist, sofern sich auch B mit C im thermischen Gleichgewicht befindet (d. h. kein Wärmefluß zwischen B und C beobachtbar ist).

1. Hauptsatz

Die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System ist konstant.

Dies ist eine allgemeinere Formulierung des Energieerhaltungssatzes der Mechanik: Energie kann werder erzeugt noch vernichtet werden. Es sind nur Umwandlungen von verschiedenen Energieformen ineinander möglich, d. h. die Innere Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant.

2. Hauptsatz

Jeder spontane Vorgang führt zur Erhöhung der Entropie im abgeschlossenen System.

Die Gesamtentropie in einem abgeschlossenen System nimmt niemals ab. Verringert sich die Entropie in einem System, so muß dies durch eine Erhöhung in der Umgebung überkompensiert werden.
Daraus ergeben sich verschiedene Folgerungen, z. B. die Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile 2. Art, das nur Wärme von einem kälteren auf einen wärmeren Körper überträgt.

3. Hauptsatz

Es ist unmöglich, den absoluten Nullpunkt zu erreichen.

Dieser Sachverhalt steht im Einklang mit dem Nernstschen Wärmetheorem: "Nähert man sich dem absoluten Nullpunkt, so geht jede Entropieänderung gegen null." Der letzte, infinitesimal kleine Schritt zum Erreichen des absoluten Nullpunktes kann gemäß Zweitem Hauptsatz nicht stattfinden.
Auf dieser Grundlage definiert man die absolute molare Entropie S jedes Elements in seinem stabilsten Zustand bei T = 0 als null. Dadurch sind alle Entropien positiv, und die Definition steht nicht im Widerspruch zur statistischen Definition von Boltzmann, nach der ein ideal kristallisierter Stoff (T = 0, d. h. nur eine Möglichkeit der Anordnung bzw. Energieverteilung) ebenfalls eine Entropie von null besitzt.