Erster Hauptsatz

Der erste Hauptsatz beschreibt eine Energiebilanz bezüglich eines Systems. Der erste Hautpsatz der Thermodynamik besagt, dass die an einem System verrichtete Arbeit zusammen mit der in Form von Wärme ausgetauschten Energie gleich der Änderung der inneren Energie ist. Sobald man die Energie als bilanzierfähige Grösse akzeptiert hat, steckt im erste Hauptsatz nur noch die triviale Aussage einer Bilanz. Folglich steht der erste Hauptsatz für eine Altlast, die es aus dem Unterricht zu entsorgen gilt. Wer heute noch von erstem Hauptsatz redet, umhüllt die Physik mit einem Mantel aus leeren Worten.

Energie

Mitte des 19. Jahrhunderts stellte die Entdeckung, dass hinter den Begriffen Arbeit und Wärme die gleiche physikalische Grösse, nämlich die Energie, steckt, ein gewaltiger Fortschritt dar. Die Einsicht, dass sich Arbeit in Wärme umwandeln lässt, und dass Wärme dazu benutzt werden kann, Arbeit zu verrichten, lieferte den Schlüssel zum Verständnis thermodynamischer Prozesse. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, die Entdeckung des maximalen Wirkungsgrades thermischer Maschinen, hat diese Aussage aber wieder relativiert. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts konnte dann Albert Einstein zusätzlich zeigen, dass Energie und Masse äquivalent sind.

Gemäss Einstein besagt der erste Hauptsatz der Thermodynamik, dass ein System Masse in Form von Arbeit und Wärme austauschen kann. Dieser Relativierung des ersten Hauptsatzes, obwohl wissenschaftlich korrekt, werden wohl die wenigsten Leute zustimmen. Der Grund dafür liegt bei der Überinterpretation des Begriffs Energie. In der Umgangssprache assoziert man mit dem Begriff Energie ein universelles Treibmittel. Dies hängt damit zusammen, dass die meisten Leute die die weiteren bilanzierfähigen Grössen der Physik, den Impuls und die Entropie, gar nicht kennen. Und wer nur einen Hammer hat, macht aus jedem Problem einen Nagel.

Energieträger

Die Physik der dynamischen Systeme liefert ein umfassendes Modell, das die Zusammenhänge zwischen der Energie und den andern Primärgrössen bildhaft darstellt. In der klassischen Physik findet man sieben bilanzierfähige Mengen, die über je eine eigenes Potenzial mit der Energie verknüft sind. Fliesst nun einer dieser sieben mengenartigen Grössen durch eine Referenzfläche, ist die Stärke des mittransportierten Energiestromes gleich Potenzial mal Stromstärke dieser Menge M

[math]I_W = \varphi I_M[/math]

Die Menge kann deshalb als Energieträger und das Potenzial als Energiebeladungsmass bezeichnet werden.

Wärme

Die Energie, die in thermischer Form über die Systemgrenze transportierte wird, heisst offiziell Wärme. Diese Definition verschiebt die Frage nach dem Wesen der Wärme vom Phänomen auf das Wort thermisch. Was soll man sich unter thermischer Form vorstellen? Wer diesen Zirkelschluss umgehen und mehr von der Thermodynamik verstehen will, muss sich - losgelöst von der Energiebilanz - zuerst mit dem Begriff Entropie auseinander setzen. Entropie ist die Grösse, die wir im Alltag mit Wärme umschreiben:

• Entropie macht die Körper warm
• um Eis herzustellen, muss man dem Wasser Entropie entziehen
• durch Reibung entsteht Entropie

Will man ein Haus heizen, erzeugt man die Entropie mit einem Öl- oder Gasbrenner, einem Ofen bzw. einem elektrischen Widerstand oder pumpt sie von draussen ins Haus. Fördert man die Entropie aus der Umgebung hinein, bezeichnet man die von der Entropie ins Haus getragene Energie als Wärme. Wird die Entropie im Haus drin erzeugt, darf -solange das Haus als System gemeint ist - gemäss der offiziellen Definition nicht von Wärme gesprochen werden.

Die von einem Entropiestrom durch eine Referenzfläche transportierte Energie lässt sich mit dem oben gegebenen Zusammenhang quantitativ fassen: der thermisch zugeordnete Energiestrom ist gleich absolute Temperatur mal Entropiestrom

[math]I_W = T I_S[/math]

Die offizielle Definiton von Wärme schlägt buchstäblich den Sack und meint den Esel. Das was der Mann oder die Frau von der Strasse unter Wärme versteht, ist eigentlich die Entropie. Weil man Mitte des 19. Jahrhunderts nach einer Erhaltungsgrösse gesucht hat, ist man zuerst auf die Energie gestossen. Folglich hat man die Energie statt die Entropie mit dem umgangssprachlichen Wort Wärme verknüpft. Dieser Missgriff hat verheerende Folgen für das Verständnis der Thermodynamik. Die Entropie wird heute noch an Hochschulen so verkokst eingeführt, wie man sie vor 150 Jahren gefunden hat. An Mittelschulen lässt man den Begriff Entropie oft weg und dichtet der Energie Eigenschaften an, die sie nicht besitzt.