Erster Hauptsatz der Wärmelehre

Die Hauptsätze der Wärmelehre, auch Hauptsätze der Thermodynamik genannt, sind grundlegende Erfahrungssätze, die aus zahlreichen Beobachtungen und Messungen gewonnen wurden. Der Begriff "Hauptsatz" ist ein historischer Begriff. Ihrem Wesen nach sind die Hauptsätze der Wärmelehre physikalische Gesetze.

Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre stellt einen Zusammenhang zwischen der einem Körper zugeführten oder von ihm abgegebenen Wärme, der Änderung seiner thermischen (inneren) Energie und der an ihm oder von ihm verrichteten mechanischen Arbeit her.
Wird einem Körper Wärme zugeführt, so kann sich das in verschiedener Weise auswirken:

• Das Volumen des Körpers vergrößert sich. Es wird Volumenänderungsarbeit verrichtet (Bild 1a).
• Die Temperatur des Körpers vergrößert sich. Seine thermische Energie wird damit größer (Bild 1b).
• Der Aggregatzustand des Körpers verändert sich. Dadurch verändern sich ebenfalls thermische Energie und Volumen des Körpers.

Diese Zusammenhänge werden im 1. Hauptsatz der Wärmelehre genauer erfasst. Er lautet:

In einem abgeschlossenen System ist die Änderung der thermischen (inneren) Energie verbunden mit der Zufuhr oder Abgabe von Wärme und dem Verrichten mechanischer Arbeit.

$\begin{array}{l}\Delta E_{\text{therm}}=W+Q\\ \Delta E_{\text{therm}}\text{ Änderung der thermischen Energie}\\ W\text{ verrichtete mechanische Arbeit}\\ Q\text{ zugeführte oder abgegebene Wärme}\end{array}$

Ein abgeschlossenes System ist ein Raumbereich, der von der Umgebung abgegrenzt ist und wo nur Energieumwandlungen innerhalb dieses Raumbereiches betrachtet werden. Statt von thermischer Energie wird manchmal auch von innerer Energie U gesprochen und der 1. Hauptsatz folgendermaßen formuliert:

$\Delta U=W+Q$

Inhaltlich ist damit dasselbe gemeint. Früher sprach man stets von innerer Energie, jetzt bezeichnet man diese Größe meist als thermische Energie.
Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre ist der Energieerhaltungssatz für thermische Vorgänge.

Bedeutung des 1. Hauptsatzes der Wärmelehre

Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre ist eine wichtige physikalische Grundlage für das Verständnis der Wirkungsweise von Wärmekraftmaschinen, z. B. von Dampfmaschinen oder Verbrennungsmotoren, wie sie in PKW verwendet werden.

Betrachten wir als Beispiel einen Teilprozess, der im Zylinder eines PKW-Motors vor sich geht. Luft wird zunächst verdichtet (Bild 3a). Der Zustand der Luft ist durch Druck, Volumen und Temperatur bestimmt. Die eingeschlossene Luft hat eine bestimmte thermische Energie. Durch die Verbrennung von Benzin oder Dieselkraftstoff vergrößert sich die thermische Energie (Bild 3b). Damit kann Volumenänderungsarbeit verrichtet werden (Bild 3c). Der Kolben bewegt sich nach oben. Dieser Prozess ist darüber hinaus verbunden mit der Abgabe von Wärme nach außen. Die Gesamtenergie bleibt aber erhalten, wenn man die gesamte Anordnung als abgeschlossenes System betrachtet.