offen, wenn Energie- und Stoffaustausch möglich ist.
Ein abgeschlossenes System ist dagegen (in guter Näherung) eine Thermoskanne nach dem Befüllen. Solange Sie kein Getränk entnehmen, findet kein Stoffaustausch statt. Für ein abgeschlossenes System müssen Sie allerdings annehmen, dass es so gut isoliert ist, dass keine Wärme die Systemgrenze, also die Außenhaut der Kanne, überschreiten kann. Sie wissen, dass das auch bei guten Isolierkannen nicht perfekt zutrifft.
Geschlossene Systeme, zum Beispiel ein mit einem Kolben verschlossener Zylinder (4-Takt-Verbrennungsmotor, solange die Ventile geschlossen sind), haben eine materieundurchlässige Systemgrenze. Die Anzahl der Atome beziehungsweise Moleküle bleibt in einem geschlossenen System konstant, auch wenn die Systemgrenzen sich verschieben, siehe Abbildung 4.2 rechts (Systemgrenze 1 wird zu Systemgrenze 2 vergrößert). Ein Energie- beziehungsweise Wärmeaustausch mit der Umgebung findet allerdings durchaus statt und ist hier sogar gewollt.
Abbildung 4.2 Offenes und geschlossenes System
Systeme werden weiterhin unterteilt in
adiabate und
rigide Systeme.
Adiabate Systeme sind wärmeundurchlässig, rigide Systeme arbeitsundurchlässig. Speziell adiabate Systeme werden in der Verfahrenstechnik häufig betrachtet, wenn ein System mit Dämmmaterial so gut isoliert ist, dass durch dieses Dämmmaterial Wärme weder nach außen noch nach innen dringen kann. Dies vereinfacht häufig die Berechnung.
Seltsame Zustände sind das
Der verfahrenstechnische Begriff des Zustands hat nichts damit zu tun, wie Sie sich fühlen. Auch ob Sie nach Alkoholgenuss in einem fahrtüchtigen Zustand sind oder nicht, interessiert vielleicht Sie (und die Polizei), ist für die Verfahrenstechnik aber unbedeutend.
Jedes System lässt sich mit physikalisch messbaren Größen beschreiben wie zum Beispiel Druck, Temperatur, Geschwindigkeit und so weiter. Gut, Ihr Alkoholgehalt lässt sich auch messen. Diese Eigenschaften des Systems sind variabel, ändern sich mit der Zeit. Das passt immer noch zum Alkoholgehalt. Nehmen die physikalischen Größen konstante Werte an, ist dies der Zustand des Systems. Ihr Alkoholgehalt sollte besser kein konstanter Systemzustand sein.
Abbildung 4.3 Zustandsgrößen am Beispiel eines Wasserfalls
Ein wegunabhängiger Zustand?
Bei der Zustandsgröße haben Sie nur die potenzielle Energie in Zustand 1 und Zustand 2 betrachtet. Der Weg zwischen diesen beiden Zuständen interessiert Sie nicht. Der Aufwand, mit dem die 3 Personen von Zustand 1 nach Zustand 2 gelangt sind, ist dagegen völlig unterschiedlich. Während Person b wahrscheinlich ziemlich außer Atem, aber völlig unversehrt im Zustand 2 ankommt, musste sich Person a absolut nicht anstrengen. Wie unversehrt sie den Zustand 2 erreicht, bleibt allerdings fraglich. Sie sehen, das Ziel, der Endpunkt, ist entscheidend, nicht der Weg (da wird mancher Wanderer anderer Meinung sein). Betrachten wir allerdings den Prozess, wie die drei Personen von Zustand 1 nach Zustand 2 gekommen sind, hängt dieser natürlich durchaus vom zurückgelegten Weg (der geleisteten Arbeit) ab – dazu gleich mehr.
Zustandsgrößen
Ein System wird eindeutig durch die Angabe von Zustandsgrößen beschrieben. Es wird unterschieden zwischen
intensiven und
extensiven Zustandsgrößen.
Extensive Zustandsgrößen sind dagegen zur Teilchenzahl im System proportional, wie zum Beispiel das Volumen V, die Masse m oder die Stoffmenge n.
Sie können weiterhin unterscheiden in
thermische und
kalorische Zustandsgrößen.
Thermische Zustandsgrößen sind Druck p, Temperatur T, Volumen V und Konzentrationen. Thermische Zustandsgrößen sind direkt messbar.
Kalorische Zustandsgrößen sind von der »Wärme« abhängig. Dies sind zum Beispiel die innere Energie U, die Entropie S und die Enthalpie H, die Sie später noch näher kennenlernen werden. Kalorische Zustandsgrößen müssen Sie mittels der thermischen Zustandsgrößen berechnen.
p, V-Diagramm
Um die Abhängigkeit verschiedener Zustandsgrößen voneinander zu zeigen, werden Zustandsdiagramme verwendet. Am gebräuchlichsten ist das p,V-Diagramm, wo der Druck p über dem spezifischen Volumen v mit der Temperatur T als Parameter
