Wärmelehre - gilligan-online

Dazu gehört die Aussage: "Ein sich im thermischen Gleichgewicht befindendes System
ändert seinen Zustand ohne Einwirkung aus der Umgebung nicht."
Zur Beschreibung von Gleichgewichtszuständen, ihren Änderungen sowie ihrer mathematischen
und grafischen Veranschaulichung werden im Folgenden einige wichtige
Begriffe und ihre Zusammenhänge erläutert
3.1.2.1 Gleichgewicht, Zustandsgrößen und Zustandsfunktionen
Für einen (Anfangs)-Gleichgewichtszustand ' A'
(hat jede Zustandsgröße einen eindeutigen
Wert (z. B. T A , VA
, pA
). Deshalb kann man sie als Funktionen des Zustandes
auffassen. Die Begriffe Zustandsgröße und Zustandsfunktion sind gleichberechtigt.
Eine physikalische Größe ist dann eine Zustandsfunktion, wenn die Differenz
ihrer Werte in zwei Gleichgewichtszuständen ' A'
und ' E'
(für Ende) nur von den
beiden Zuständen ' A'
und ' E'
abhängt, aber nicht davon, wie das betrachtete System
vom Zustand ' A'
in den Zustand ' E'
gekommen ist. Diese Unabhängigkeit vom
Vorgang wird mit dem mathematischen Kriterium totales Differential ausgedrückt
und in der Differentialschreibweise mit ' d'
gekennzeichnet.
Als Beispiel aus der Mechanik seien das Gravitationspotential als Zustandsgröße des
Gravitationsfeldes oder die potentielle Energie einer idealen Feder als Zustandsgröße
in Abhängigkeit von der Auslenkung angeführt.
3.1.2.2 Zustandsänderungen – thermodynamische Prozesse
Den Übergang von einem Gleichgewichtszustand ' A'
in einen Gleichgewichtszustand
' E'
bezeichnet man als Zustandsänderung oder als thermodynamischen Prozess.
Dazu ist notwendig, dass auf das System eine Einwirkung von außen erfolgt,
also das System und die Umwelt miteinander in Wechselwirkung treten. Zwischen
geschlossenen Systemen können Wärme und Arbeit übertragen werden, beide Größen
sind dann wegabhängige Prozessgrößen, abhängig von der Führung des Prozesses.
3.1.2.3 Zustandsgleichungen
Für jeden thermischen Gleichgewichtszustand sind die Zustandsgrößen miteinander
verknüpft. Diese Verknüpfungsgleichungen heißen Zustandsgleichungen. Ein Beispiel
ist die Zustandsgleichung eines idealen Gases, die aus Modellvorstellungen
abgeleitet ist (vgl. Kapitel 2). Im Allgemeinen aber sind dies experimentell gefundene
(empirische) Zusammenhänge, die nur in Grenzen gültig sind. Ein Beispiel dafür ist
die Zustandsgleichung für reale Gase nach VAN DER WAALS (vgl. Kapitel 7).
Nur für das kinetische Modell des idealen Gases (vgl. Abschnitt 2.1) ist die thermische
Zustandsgleichung vollständig herleitbar. Damit ist der Zusammenhang der Zustandsgrößen
für einen Grenzfall qualitativ und quantitativ erfasst. In den meisten
realen Fällen ist damit aber bereits eine hinreichend genaue Beschreibung möglich.
3.1.2.4 Zustandsdiagramme (vgl. Abb. 3-02)
Zur grafischen Veranschaulichung von Zustandsänderungen benutzt man Zustandsdiagramme.
Diese übertragen mathematische Funktionszusammenhänge in eine
grafische Darstellung. Als Koordinatenachsen werden Zustandsgrößen aufgetragen.
Diese Darstellungen sind im Allgemeinen zweidimensional; manche Darstellungen
nutzen die Möglichkeiten der Parallelperspektive aus. Verknüpft eine Zustandsglei-
Wärmelehre – Abschnitt 3
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’1. Hauptsatz der Wärmelehre’