Grundbegriffe der Thermodynamik

 

Definition des Systems

In der Thermodynamik wird die Welt in zwei Teile geteilt. In das System und die Umgebung. Dabei ist das System der Teil der betrachtet werden soll und der uns interessiert. Dies kann ein Reagenzglas sein oder eine Maschine. Die Grenze des Systems wird dabei willkürlich festgelegt (Beispielsweise der Innenraum eines Reagenzglases). Das zu untersuchende System wird von der Umgebung aus beobachtet. Durch die Eigenschaften der Grenze kann der Typ eines Systems bestimmt werden. Bei einem Reagenzglas beispielsweise handelt es sich um ein offenes System, da hierbei ein Stoffaustausch zwischen System und Umgebung erfolgen kann. Ist dies nicht der Fall bei einem geschlossenen System. Ein geschlossenes System kann jedoch auch Energie in Form von Wärme oder  mechanischer Arbeit mit der Umgebung austauschen. Ein System bei dem kein Austausch von Energie mit der Umgebung erfolgen kann bezeichnet man als abgeschlossen.

Abb.1: Das thermodynamische System

 

Innere Energie

Die gesamte Energie eines Systems wird in der Thermodynamik als Innere Energie U bezeichnet. Dabei ist die Innere Energie eine Funktion seiner Zustandsvariablen (Temperatur T und Druck p). Die innere Energie ist unabhängig von dem Weg durch die sie zustande gekommen ist. Bei einem geschlossenen System ist die Änderung der inneren Energie die Summe aus der Wärme und der Arbeit die einem System zugeführt wird oder von einem System abgegeben wird:

 

ΔU = q + w

 

In einem abgeschlossenen System kann keine Änderung der Inneren Energie erfolgen, da kein Energieaustausch zwischen System und Umgebung stattfinden kann.

In seiner allgemeinen Form lautet die Formel für die Änderung der Inneren Energie wie folgt:

 

dU = dq + dwe – pdV

 

Dabei steht der Index e für extra. Die Arbeit wird abzüglich der geleisteten Volumenarbeit betrachtet.

 

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik sagt aus, dass die Innere Energie eines abgeschlossenen Systems konstant ist.

 

Enthalpie

Wird das Volumen eines Systems nicht konstant gehalten, so ist die Änderung der Inneren Energie ΔU nicht mehr gleich der ausgetauschten Wärmemenge. Unter derartigen Bedingungen wird ein Teil der Energie als Volumenarbeit mit der Umgebung ausgetauscht. Es gilt demnach dU < dq. Die Enthalpie H beschreibt dies:

 

H = U + pV

 

Da alle in der Definition der Enthalpie auftauchenden Therme Funktionen des Zustands sind, so ist auch die Enthalpie eine Zutandsfunktion. Bei konstantem Druck ist die Änderung der Enthalpie ΔH gleich der ausgetauschten Wärmemenge q:

 

ΔH = qv

Zweiter Hauptsatz der Theromodynamik

 

Die Entropie eines abgeschlossenen Systems nimmt bei einer freiwillig ablaufenden Zustandsänderung zu:

 

Δ Sgesamt > 0

 

Entropie

Irreversible Vorgänge „produzieren“ Entropie, bei reversiblen Vorgängen ist dies nicht der Fall, da das System im vollständigen Gleichgewicht mit seiner Umgebung steht. Die Entropie eines Systems erlaubt eine Aussage über seine Ordnung und es gilt:

 

S = k ln W

 

k = Bolzmannkonstante (k = 1,381∙10-23 J/K)

W = Anzahl der verschiednen Möglichkeiten die Gesamtenergie des Systems auf unterschiedliche Zustände der Atome oder Moleküle zu verteilen.

 

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