Innere energie

Thermodynamik ist die Wissenschaft von den thermischen Phänomenen. Im Gegensatz zur kinetischen Gastheorie, die ihre Schlüsse aus der Molekularstruktur der Substanz zieht, geht die Thermodynamik von allgemeineren Regelmäßigkeiten thermischer Prozesse und den Eigenschaften makroskopischer Systeme aus. Ihre Schlussfolgerungen basieren auf einer Reihe von experimentellen Ergebnissen und hängen nicht vom Wissen über die innere Struktur der Substanz ab. Allerdings benutzt die Thermodynamik in einigen Fällen kinetische Modelle, um die Ergebnisse zu veranschaulichen. Die Thermodynamik untersucht isolierte Systeme von Körpern, die im thermodynamischen Gleichgewicht sind. Das bedeutet unter anderem, dass in solchen Systemen alle beobachtbaren makroskopischen Prozesse abgeschlossen sind.

Die wichtigste Eigenschaft eines Systems im thermodynamischen Gleichgewicht ist der Temperaturausgleich zwischen allen seinen Bestandteilen. Unterlag ein thermodynamisches System einem äußeren Einfluss, so wird es schließlich zu einem anderen Gleichgewichtszustand kommen. Ein solcher Übergang heißt thermodynamischer Prozess. Läuft der Prozess langsam ab (im Grenzfall unendlich langsam), so ist das System zu jedem Zeitpunkt in der Nähe eines Gleichgewichts. Prozesse, die aus einer solchen Folge von Gleichgewichtszuständen bestehen, heißen quasistatisch. Einer der wichtigsten Begriffe der Thermodynamik ist die innere Energie eines Körpers.

Alle makroskopischen Körper besitzen in ihrem Inneren eine gewisse Energie. Aus der Sicht der kinetischen Gastheorie ist die innere Energie die Summe der kinetischen und potentiellen Energie der Atome und Moleküle. Insbesondere ist die innere Energie eines idealen Gases die Summe der kinetischen Energie aller Gasmoleküle, die sich in thermischer Bewegung befinden. Die innere Energie eines idealen Gases hängt nur von seiner Temperatur ab. Sein Volumen spielt keine Rolle (Joules Gesetz). Die kinetische Gastheorie liefert die folgende Gleichung für die innere Energie von einem Mol eines idealen einatomigen Gases (Helium, Neon und andere), dessen Moleküle nur Translationsbewegungen ausführen: Da die potentielle Energie der Wechselwirkung zwischen den Molekülen von ihrem Abstand untereinander bestimmt wird, hängt die innere Energie U eines Körpers im allgemeinen vom Volumen V und der Temperatur T ab: U=U(T,V).

Dabei wird die innere Energie U eines Körpers eindeutig durch die makroskopischen Parameter festgelegt, die seinen Zustand charakterisieren. Sie hängt nicht von der Art und Weise ab, die den aktuellen Zustand herbeigeführt hat. Eine solche Größe heißt Zustandsfunktion.

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