Vorlesungsskript Physik IV - Walther Meißner Institut - Bayerische ...

Abschnitt 10.5 PHYSIK IV 393Nichtgleichgewichtszustände. Aus unserer Erfahrung wissen wir, dass solche Prozesse nicht von selbstin umgekehrter Richtung ablaufen können. Ein typisches Beispiel ist das Zusammenbringen von zweiunterschiedlich warmen Körpern, die durch Wärmeaustausch ihre Temperatur angleichen bis ein Gleichgewichtszustanderreicht ist. In umgekehrter Richtung läuft dieser Prozess nicht von alleine ab, es handeltsich also um einen irreversiblen Prozess. Wir werden später in Abschnitt 11.5 für diesen Sachverhaltein statistisches Argument angeben. Während der Übergang von einem Nichtgleichgewichts- in einenGleichgewichtszustand sehr wahrscheinlich ist, ist der umgekehrte Vorgang sehr unwahrscheinlich undwird deshalb nicht beobachtet. Generell erhöhen irreversible Prozesse die mikroskopische Unordnung(Entropie) im System.Prozesse die nur über Gleichgewichtszustände führen, nennen wir reversible Prozesse. Im Prinzip stellenreversible Prozesse eine Idealisierung dar, die es streng genommen gar nicht gibt. Befindet sichnämlich ein System im Gleichgewicht, so sind seine Zustandsvariablen zeitunabhängig und das Systemändert sich makroskopisch nicht mehr. Reversible Prozesse lassen sich allerdings durch infinitesimaleÄnderungen der Zustandsvariablen simulieren, bei denen das Gleichgewicht quasi nicht gestört wird.Wenn diese Änderungen genügend langsam erfolgen, so hat das System genügend Zeit, immer wiederins Gleichgewicht zu kommen. Die besondere Bedeutung reversibler Prozesse liegt darin begründet,dass wir in jedem Teilschritt eines Prozesses einen Gleichgewichtszustand mit wohldefinierten Wertender Zustandsvariablen vorliegen haben. Die gesamte Änderung von Zustandsgrößen können wir danndurch Integration über die infinitesimalen Änderungen erhalten. Bei irreversiblen Prozessen ist dies nichtmöglich.Isothermer ProzessUnter einem isothermen Prozess verstehen wir einen Prozess, bei dem die Temperatur T konstant bleibt.Dies können wir z.B. dadurch erreichen, dass wir das System an ein Wärmebad mit der Temperatur Tankoppeln.Für ein ideales Gas gilt wegen pV = Nk B T für isotherme Prozessep ·V = const. . (10.5.16)Der Druck variiert also bei isothermer Kompression/Expansion proportional zu 1/V . Dies ist uns als dasGesetz von Boyle-Mariotte bekannt.Die Änderung der inneren Energie ist bei T = const gleich Null. Wir können schreiben:∆U = C V ∆T = 0 ∆U = ∆Q + ∆W ∆Q = −∆W . (10.5.17)Wir sehen, dass bei isothermen Prozessen die Wärmezufuhr gleich der Volumenarbeit des Gases ist.Wir betrachten noch die bei einem isothermen Prozess geleistete Arbeit und die Änderung der Entropie.Die bei der Zustandsänderung vom Gas geleistete Arbeit ist bei T = const2003