Zustandsänderungen

Vorbemerkung

Die Zustandsgrößen Druck, Volumen und Temperatur, die den thermodynamischen Zustand eines Stoffes beschreiben, sind nicht unabhängig voneinander. Vielmehr gibt es physikalische Gesetzmäßigkeiten zwischen ihnen, die mit Hilfe von Gleichungen ausgedrückt werden, den sogenannten Zustandsgleichungen. In aller Regel hat man es in der Thermodynamik mit gasförmigen Stoffen zu tun. Besonders übersichtliche Zustandsgleichungen zwischen den Zustandsgrößen p, T und V erhält man, wenn man für die Gase idealisierte Bedingungen annimmt, die von realen Gasen (wie z.B. Luft, Wasserdampf, Sauerstoff) unter bestimmten Voraussetzungen erfüllt werden. Ein Gas, das diesen Zustandsgleichungen genügt, nennen die Physiker ein ideales Gas. Ein ideales Gas zeichnet sich durch folgende wesentliche Punkte aus: Die Gasteilchen können sich in alle Raumrichtungen frei bewegen und beeinflussen sich dabei nicht gegenseitig, dürfen aber aneinander und an die Systemgrenzen stoßen. Sie verteilen sich gleichmäßig im Raum. Das Gas wird auch als Arbeitsmedium bezeichnet, z.B. verrichtet bei der Dampfmaschine der Wasserdampf Arbeit

Welche Zusammenhänge zwischen den Zustandsgrößen bei idealen Gasen bestehen, muss experimentell untersucht werden.

Zustandsänderungen

Ein System befindet sich in einem Gleichgewichtszustand, wenn sich seine Zustandsgrößen zeitlich nicht ändern und räumlich nicht verschieden sind. Ist das System ein eingeschlossenes Gas, so ist dies genau dann in einem Gleichgewichtszustand, wenn die Zustandsgrößen Volumen, Druck und Temperatur konstant sind. Zusätzlich muss die Temperatur und ebenso der Druck im gesamten Gasvolumen überall den gleichen Wert besitzen. Die Erfahrung zeigt, dass jedes System einem Gleichgewichtszustand zustrebt, den es – wenn er erreicht ist – ohne Einwirkungen von außen nicht mehr verlässt. Ändert man, ausgehend von einem Gleichgewichtszustand, eine Zustandsgröße, so stellt sich nach einer gewissen Zeit ein neuer, anderer Gleichgewichtszustand ein. Diesen Vorgang bezeichnet man als Zustandsänderung.

Durch diese Zustandsänderung verändern sich im Allgemeinen die Werte der Zustandsgrößen. Im Zustand 1 haben die Zustandsgrößen p, T und V die konstanten Werte p₁, T₁, V₁, im Zustand 2 die konstanten Werte p₂, T₂, V₂. Um das System von einem Zustand 1 in einen Zustand 2 zu bringen, muss mit ihm ein geeigneter thermodynamischer Prozess durchgeführt werden. Beispielsweise könnte ein solcher Prozess darin bestehen, wie oben angedeutet ist, den Kolben des Arbeitszylinders mit erhöhter Kraft nach unten zu drücken. Dieser Prozess bewerkstelligt dann die Zustandsänderung 1 zu 2. Es wären aber auch andere Prozesse denkbar, um die Zustandsänderung 1 zu 2 hervorzurufen.

Um die Zusammenhänge der drei Zustandsgrößen bei einer Zustandsänderung leichter verstehen zu können, wird je eine Zustandsgröße p, T oder V konstant gehalten und dann untersucht, wie die beiden anderen zusammenhängen.

Schauen Sie sich das folgende Video an. Erstellen Sie eine Wertetabelle für die Messwerte und stellen Sie die Messergebnisse in einem aussagefähigen Diagramm da. Suchen Sie im Internet nach ähnlichen Experimenten, bei denen je eine Zustandsgröße je Zustandsänderung konstant gehalten werden.