Thermodynamische Werte werden in Bezug auf ein System und seine Umgebung diskutiert. Alles, was nicht Teil des Systems ist, bildet seine Umgebung. Das System und die Umgebung sind durch eine Grenze getrennt. Wenn das System beispielsweise ein Mol eines Gases in einem Behälter ist, ist die Grenze einfach die Innenwand des Behälters selbst. Alles außerhalb der Grenze wird als Umgebung betrachtet, zu der auch der Container selbst gehört.
Die Grenze muss klar definiert sein, damit man klar sagen kann, ob sich ein bestimmter Teil der Welt im System oder in der Umgebung befindet. Wenn die Materie die Grenze nicht überschreiten kann, wird das System als geschlossen bezeichnet. Ansonsten ist es offen. Ein geschlossenes System kann immer noch Energie mit der Umgebung austauschen, es sei denn, das System ist isoliert. In diesem Fall können weder Materie noch Energie die Grenze überschreiten.
Das erste Gesetz der Thermodynamik, auch als Energieerhaltungsgesetz bekannt, besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann; Energie kann nur von einer Form in eine andere übertragen oder geändert werden. Zum Beispiel scheint das Einschalten eines Lichts Energie zu erzeugen. Es wird jedoch elektrische Energie umgewandelt.
Ein Ausdruck des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik besteht darin, dass jede Änderung der inneren Energie (∆E) eines Systems durch die Summe der Wärme (q), die über seine Grenzen fließt, und der am System geleisteten Arbeit (w) gegeben ist durch die Umgebung.
∆E = q + w
Dabei ist q die Wärme, die über seine Grenzen fließt, und w die Arbeit, die die Umgebung am System leistet
Dieses Gesetz besagt, dass es zwei Arten von Prozessen gibt, Wärme und Arbeit, die zu einer Änderung der inneren Energie eines Systems führen können. Da sowohl Wärme als auch Arbeit gemessen und quantifiziert werden können, bedeutet dies, dass jede Änderung der Energie eines Systems zu einer entsprechenden Änderung der Energie der Umgebung außerhalb des Systems führen muss. Mit anderen Worten, Energie kann nicht erzeugt oder zerstört werden. Wenn Wärme in ein System fließt oder die Umgebung daran arbeitet, steigt die innere Energie und das Vorzeichen von q und w ist positiv. Umgekehrt geht der Wärmestrom aus dem System oder die vom System (in der Umgebung) geleistete Arbeit zu Lasten der inneren Energie, und q und w sind daher negativ.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines isolierten Systems immer zunimmt. Isolierte Systeme entwickeln sich spontan zum thermischen Gleichgewicht - dem Zustand maximaler Entropie des Systems. Einfacher ausgedrückt, die Entropie des Universums (das ultimative isolierte System) nimmt nur zu und nie ab.
Eine einfache Möglichkeit, sich den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vorzustellen, besteht darin, dass ein Raum, wenn er nicht gereinigt und aufgeräumt wird, mit der Zeit immer unordentlicher und ungeordneter wird - unabhängig davon, wie sorgfältig man ihn sauber hält. Wenn der Raum gereinigt wird, nimmt seine Entropie ab, aber der Reinigungsaufwand hat zu einer Zunahme der Entropie außerhalb des Raums geführt, die die verlorene Entropie überschreitet.
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass sich die Entropie eines Systems einem konstanten Wert nähert, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert. Die Entropie eines Systems bei absolutem Nullpunkt ist typischerweise Null und wird in allen Fällen nur durch die Anzahl der verschiedenen Grundzustände bestimmt, die es hat. Insbesondere ist die Entropie einer reinen kristallinen Substanz (perfekte Ordnung) bei einer Temperatur von absolut Null Null. Diese Aussage gilt, wenn der perfekte Kristall nur einen Zustand mit minimaler Energie hat.
