Thermodynamische Systeme und Prozesse

• System:
  • Gegenstand oder Bereich, der zur Untersuchung als abgegrenzt betrachtet wird.
  • Das System umgibt eine gedachte oder reale Grenze, die es vom Rest der Welt, der Umgebung, abtrennt.
  • System und Umgebung wechselwirken über die Systemgrenze hinweg, z.B. durch Wärmeübertragung, mechanische Einflüsse oder durch Austausch von Materie.
  • geschlossenes System: kein Materie-Austausch mit der Umgebung, sonst offenes System.
  • adiabates System: kein Wärmeaustausch über die Systemgrenzen hinweg
  • abgeschlossenes System: gar keine Wechselwirkung mit Umgebung
  • homogen: einheitlicher Stoff oder Stoffgemisch. Gegenteil: heterogen (z.B. mehrere Phasen wie Wasserdampf und Wasser). Bis auf weiteres immer homogene Systeme
• Beispiele:
  • Inneres einer Thermosflasche
    • geschlossen
    • adiabat
    • abgeschlossen
  • geschlossenes Becherglas mit Rührer
    • geschlossen
    • Wärmeaustausch mit Umgebung (Bunsenbrenner)
    • Austausch mechanischer Energie (Rührer)
  • Zylinderinneres eines Otto-Motors (Ventile vernachlässigt)
    • geschlossen
    • Wärmeaustausch durch Wände
    • Austausch mechanischer Energie durch Kolbenbewegung
  • Strömung durch ein isoliertes Rohr
    • offen, Untersuchungsvolumen abgegrenzt gedacht
    • kein Wärmeaustausch durch Rohrwand
    • kein Austausch an Zufluss und Abfluss wegen gleicher Temperatur
    • also: adiabat
• Prozess:
  • Änderung des Zustands eines Systems
  • genauer auch mit Verfahren zur Änderung
  • Beispiel:
    
    • Systemgrenzen A und B sind wärmedurchlässig
    • Temperatur des Wasserbads werde erhöht
    • System A: konstanter Druck, Volumen ändert sich
    • System B: konstantes Volumen, Druck ändert sich
  • im p-V-Diagramm:
    
• quasistatische Prozesse:
  • Änderungen verlaufen langsam
  • zu jedem Zeitpunkt kann das System als homogen und im Gleichgewicht betrachtet werden
  • Vernachlässigung von Ausgleichsprozessen wie
    • Wärmeausbreitung von der Heizung oder dem Rührer in die System A und B
    • Druckausgleich im Innern der Systeme A und B
  • schnelle Vorgänge führen zu Nichtgleichgewichtszuständen
    nicht im p-V-Diagramm darstellbar!
• umkehrbare (reversible) Prozesse:
  • System kann in den Ausgangszustand zurückgeführt werden, ohne dass Änderungen an der Umgebung übrigbleiben
  • theoretischer Grenzfall zur Vereinfachung der Betrachtung
  • Vernachlässigung von Reibungsvorgängen, Ausgleichsvorgängen,
  • führt immer über Gleichgewichtszustände (quasistatisch)
• Beispiel: Ausdehnung eines Gases im Wärmebad
  • 
  • Prozess A: Übergang von Zustand 1 in Zustand 2 durch plötzliches Verringern der Auflagekraft
    
    • Gas dehnt sich plötzlich und turbulent aus
    • lokale Druckschwankungen
    • lokale Temperaturänderungen durch Reibung
    • keine Gleichgewichtszustände
  • Prozess B: Übergang von Zustand 1 in Zustand 2 durch viele winzige Zwischenschritte
    
    • allmähliche Ausdehnung des Volumens
    • lokale Ausgleichprozesse schnell gegen Systemänderung
    • interne Reibung vernachlässigbar
    • Zwischenschritte lauter Gleichgewichtszustände