Thermodynamik ist das Gebiet der Wissenschaft, das die Beziehung zwischen Wärme und anderen Energiearten umfasst. Die Thermodynamik wurde Anfang des 1800. Jahrhunderts entdeckt und untersucht. Damals war es mit dem Einsatz von Dampfmaschinen verbunden und gewann an Bedeutung.
Die Thermodynamik lässt sich in vier Gesetze unterteilen. Obwohl den Gesetzen der Thermodynamik nach den anderen drei Gesetzen hinzugefügt, wird der nullte Hauptsatz normalerweise zuerst diskutiert. Es besagt, dass, wenn zwei Systeme mit einem dritten System im thermischen Gleichgewicht sind, sie sich auch untereinander im thermischen Gleichgewicht befinden. Mit anderen Worten, wenn zwei Systeme die gleiche Temperatur wie ein drittes System haben, dann haben alle drei die gleichen Temperaturen.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtenergie eines Systems konstant bleibt, auch wenn sie von einer Form in eine andere umgewandelt wird. Zum Beispiel wird kinetische Energie – die Energie, die ein Objekt besitzt, wenn es sich bewegt – in Wärmeenergie umgewandelt, wenn ein Fahrer das Auto bremst, um es zu verlangsamen. Es gibt oft Schlagworte, die den Menschen helfen, sich an den ersten Hauptsatz der Thermodynamik zu erinnern: „Arbeit ist Wärme, und Wärme ist Arbeit“. Grundsätzlich sind Arbeit und Wärme gleichwertig.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist eines der grundlegendsten Gesetze der Wissenschaft. Es besagt, dass Wärme nicht von selbst aus einem System mit niedrigerer Temperatur in ein System mit einer höheren Temperatur fließen kann. Damit eine solche Aktion durchgeführt werden kann, muss Arbeit geleistet werden. Wird ein Eiswürfel in eine Tasse warmes Wasser gelegt, schmilzt der Eiswürfel, wenn die Wärme des Wassers hineinströmt. Das Endergebnis ist eine Tasse Wasser, die etwas kühler ist. Eiswürfel können sich nur bilden, wenn Energie verbraucht wird.
Ein weiteres Beispiel dafür, dass der zweite Hauptsatz nur mit Energiezufuhr funktioniert, ist bei einem älteren Kühlschrank zu sehen. In diesem Fall erwärmt die Kühlung des Kühlschrankinneren die Außenseite. Die Arbeit ist also getan und die Arbeit macht Wärme. Die Arbeit wird von der Pumpe des Kühlschranks abgeschlossen.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt auch, dass sich Dinge abnutzen können. Wenn beispielsweise ein Backsteinhaus nicht gepflegt wird, zerbröckelt es schließlich durch Wind, Regen, Kälte und andere Wetterbedingungen. Wenn jedoch ein Steinhaufen unbeaufsichtigt bleibt, wird er nie ein Haus bilden, es sei denn, es wird Arbeit hinzugefügt.
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropieänderung eines Systems bei der Umwandlung von einer Form in eine andere gegen Null geht, wenn sich seine Temperatur auf der Kelvin-Skala Null nähert. Null auf der Kelvin-Skala ist die absolute Untergrenze der Temperatur – wenn Atome und Moleküle die geringstmögliche Energie haben. Entropie ist definiert als die Verfügbarkeit der Energie eines Systems, um Arbeit zu verrichten. Daraus folgt, dass es eine absolute Entropieskala gibt. Folglich kann kein reales System jemals null Grad auf der Kelvin-Skala erreichen.