In diesem Video zeigen wir dir einige wichtige Grundlagen hinsichtlich der Unterscheidungen verschiedener thermodynamischer Systeme.
Inhaltsübersicht
Einführung verschiedener Arten von thermodynamischen Systemen
Um die Grundlagen der Thermodynamik zu verstehen, überlegen wir uns als erstes, was thermodynamische Systeme sind. Per Definition ist das die Abgrenzung eines Bereichs für die thermodynamische Analyse, umschlossen von gedachten Systemgrenzen.
Bei der Wahl von thermodynamischen Systemen unterscheiden wir zwischen drei Arten: geschlossen, isoliert und offen.
Ein geschlossenes System
Das geschlossene System ist materieundurchlässig, lässt aber einen Energieaustausch zu – zum Beispiel in Form von Wärme. Du kannst dir dabei eine geschlossene Flasche Bier vorstellen. Wir können die Temperatur ändern, aber der Inhalt bleibt gleich.
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Beispiel für ein abgeschlossenes System oder auch isoliertes System
Das isolierte System hingegen lässt weder einen Materie- noch einen Energieaustausch zu. Das ist der Fall, wenn du die Bierflasche isolierst und somit kein Wärmeaustausch mehr stattfinden kann. Hierbei handelt es sich eher um eine idealisierte Vorstellung, das eine hundertprozentige Abschottung in der Realität nicht möglich ist.
Umwandlung in ein offenes System
Sobald du die Bierflasche öffnest, entsteht eine Verbindung zu der Umgebung und es wird sowohl ein Materie- als auch ein Energieaustausch zugelassen. Dabei kann auch wieder Wärme aus der Umgebung aufgenommen beziehungsweise an die Umgebung abgegeben werden. Dies wird als offenes System bezeichnet. Außerdem bist du, als Mensch auch ein offenes System, da der menschliche Körper einen Wärmeaustausch mit seiner Umwelt durchführt.
Genauere Betrachtung der Systemgrenzen
Betrachten wir als Beispiel kochendes Wasser im Topf. Als thermodynamisches System können wir hier einfach das kochende Wasser selbst wählen und unsere Systemgrenzen darumlegen. Das können wir dann später thermodynamisch analysieren.
Du kannst dir bestimmt vorstellen, dass das System immer vom betrachteten Fall abhängt. Wenn wir Eier ins Wasser legen, können wir auch die Systemgrenzen um das Ei legen, falls uns das Ei mehr interessiert.
Unterscheidung von fluiden Phasen und Reinstoffen
Wir wissen jetzt also welche Systeme wir betrachten und wie wir sie abgrenzen können. Nun wollen wir diese Systeme aber noch beschreiben können. In der Regel betrachten wir fluide Phasen und sogenannte Reinstoffe.
Fluide Phasen sind flüssig oder gasförmig. Das heißt: alles, was sich zum Beispiel keiner Kuchenform anpasst, ist kein Fluid! Weiterhin zeichnen sich fluide Phasen dadurch aus, dass sie homogen verteilt und örtlich konstant sind. Bei kochendem Wasser nehmen wir also an, dass das Wasser überall „gleich“ kocht.
Definition von Reinstoffen in einem thermodynamischen System
Und was sind jetzt Reinstoffe? Das ist eigentlich ganz einfach. Reinstoffe bestehen nur aus einer Art von Atomen beziehungsweise Molekülen.
Bei einem Gas zum Beispiel nur aus Wasserstoff, oder nur aus Sauerstoff. Luft ist – im Gegensatz dazu – ein Gasgemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und einigen anderen Gasen.
So, nun kannst du zwischen den verschiedenen thermodynamischen Systemen unterscheiden und weißt, wie du deine Systemgrenzen festlegen musst.
Thermodynamische Systeme — häufigste Fragen
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Thermodynamische Systeme — häufigste Fragen
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Ist Wasser mit gelöstem Salz oder Zucker noch ein Reinstoff?Wasser mit gelöstem Salz oder Zucker ist kein Reinstoff mehr, sondern ein Gemisch, weil im System dann nicht nur eine Sorte Teilchen vorkommt. In einer Salzlösung sind neben Wassermolekülen auch gelöste Ionen enthalten. Ein Reinstoff wäre nur Wasser ohne gelöste Stoffe.
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Zählt mechanische Arbeit auch als Energieaustausch bei einem geschlossenen System?Mechanische Arbeit zählt bei einem geschlossenen System als Energieaustausch, weil ein geschlossenes System zwar keine Materie durchlässt, aber Energie über die Systemgrenze übertragen kann. Energieübertragung kann dabei als Wärme oder als Arbeit passieren. Ein Beispiel ist ein Kolben-Zylinder, der von außen zusammengedrückt wird.
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Gibt es in der Realität ein isoliertes System?Ein vollständig isoliertes System gibt es in der Realität praktisch nicht, weil immer ein kleiner Energieaustausch mit der Umgebung möglich bleibt, zum Beispiel über Wärmestrahlung oder minimale Wärmeleitung. Isolierte Systeme verwendet man deshalb als ideale Modellvorstellung. Gut isolierte Thermos- oder Dewar-Gefäße kommen dem Ideal nur näherungsweise nahe.
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Wie entscheidet man in einer Aufgabe, wo man die Systemgrenze sinnvoll zieht?Die Systemgrenze zieht man so, dass genau der Teil eingeschlossen ist, über den man die Energiebilanz oder den Stoffaustausch aufstellen will. Alles außerhalb dieser Grenze ist Umgebung, und nur über die Grenze laufen die betrachteten Austauschgrößen. Zum Beispiel kann man beim kochenden Wasser nur das Wasser betrachten oder das Ei, wenn das Ei im Fokus steht.
Thermodynamik verstehen
Thermodynamische Systeme gehören zu den Grundlagen der Thermodynamik und sind wichtig für viele technische Prozesse. Wer sich mit Thermodynamik beschäftigt, betrachtet Energie, Wärme, Stoffe und ihre Änderungen in klar abgegrenzten Systemen. So wird verständlich, wie sich Zustände ändern und warum die Wahl der Systemgrenze für die Beschreibung eines Vorgangs wichtig ist. Weitere Videos dazu findest du in unserem Ingenieurwissenschaftenbereich.
