Bringt man eine warme Tasse mit einem kühlen Metalllöffel in Berührung, so verändern sich beide. Etwas wird zwischen ihnen übertragen, und dieser Vorgang endet erst, wenn keine weiteren Veränderungen mehr stattfinden. Die Thermodynamik beginnt damit, zu benennen, was übertragen wird, was gemessen wird und was es bedeutet, wenn ein System keine Veränderungen mehr durchläuft.
Zwei Objekte stehen in thermischem Kontakt, wenn Energie aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen ihnen fließen kann, beispielsweise durch Wärmeleitung über eine gemeinsame Grenzfläche. Ist dieser Austausch abgeschlossen, erreichen die Objekte das thermische Gleichgewicht. Thermisches Gleichgewicht bedeutet, dass sich ihr messbarer thermischer Zustand im ungestörten Zustand zeitlich nicht mehr verändert und kein Netto-Energietransfer aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen ihnen stattfindet.
Ein Thermometer ist ein drittes System, das in thermischen Kontakt mit einem anderen Objekt gebracht wird. Die entscheidende Annahme dabei ist, dass das Thermometer klein genug ist oder nur so schwach mit dem anderen System gekoppelt ist, dass es den endgültigen Gleichgewichtszustand, den es messen soll, nicht wesentlich verändert.
Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik überführt diese physikalische Vorstellung in eine Konsistenzregel für die Temperaturmessung.
Wenn System A im thermischen Gleichgewicht mit System C steht und System B im thermischen Gleichgewicht mit System C steht, dann stehen A und B miteinander im thermischen Gleichgewicht.
Dieser Satz liefert keinen Zahlenwert. Er garantiert jedoch, dass die Temperatur eine Eigenschaft ist, die einem System so zugeordnet werden kann, dass eine gleiche Temperatur dem thermischen Gleichgewicht entspricht.
Verwenden Sie das erläuterte Szenario, um nachzuvollziehen, welche Körper Energie austauschen, was im Gleichgewichtszustand keine Veränderung mehr erfährt und warum das Thermometer als das vermittelnde System C dienen kann.
Wenn sich bei A und B derselbe Thermometerwert einstellt, besagt der Nullte Hauptsatz, dass sie eine gemeinsame Temperatur aufweisen – selbst wenn A und B sich nie berührt haben.
Wärme ist Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds über eine Systemgrenze hinweg übertragen wird. Ihre SI-Einheit ist das Joule (). Wärme ist nichts, was in einem Objekt enthalten ist; sie ist ein Vorgang, der während eines Prozesses abläuft.
Innere Energie ist Energie, die in den mikroskopischen Freiheitsgraden eines Systems gespeichert ist, etwa in molekularer Translation, Rotation, Schwingung und Wechselwirkungen. Auch ihre SI-Einheit ist das Joule (). Im Gegensatz zur Wärme ist die innere Energie eine Zustandsgröße. Bei einem System im Gleichgewicht hängt vom Zustand ab, nicht vom Weg, der zu diesem Zustand geführt hat.
Eine einfache Methode, die Begriffe auseinanderzuhalten, ist eine grammatikalische Betrachtung: Im physikalischen Kontext fungiert „Wärme“ (engl. heat) eher wie ein Verb (ein Vorgang), während „innere Energie“ ein Substantiv ist.
Werden zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen in thermischen Kontakt gebracht und gegenüber der Umgebung isoliert, so wird Energie in Form von Wärme vom Körper höherer Temperatur auf den Körper niedrigerer Temperatur übertragen, bis beide eine gemeinsame Endtemperatur erreicht haben. Während dieses Prozesses ändert sich die innere Energie beider Körper. Die Wärme stellt den Übertragungsmechanismus über die Systemgrenze dar, während die Änderung der inneren Energie den Vorgang beschreibt, der im jeweiligen Körper stattfindet.
Die folgende interaktive Anwendung ermöglicht es Ihnen, Masse, Material und Anfangstemperaturen zu variieren, um zwei Konzepte zu unterscheiden, die von Anfängern oft vermischt werden: Die Menge der übertragenen Wärme hängt von den spezifischen Details ab, wohingegen die endgültige Gleichgewichtstemperatur durch die Energiebilanz und die thermischen Eigenschaften bestimmt wird.