Thermodynamischer Prozess
Wärme (Q) ist die Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds von einem Objekt auf ein anderes übertragen wird. In Systemen und Umgebungen ist Wärme die Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds vom System zur Umgebung oder von der Umgebung zum System fließt. Ist die Systemtemperatur höher als die Umgebungstemperatur, fließt Wärme vom System zur Umgebung. Ist die Umgebungstemperatur höher als die Systemtemperatur, fließt Wärme von der Umgebung zum System.
Wärme (Q) ist Energie, die aufgrund von Temperaturunterschieden übertragen wird, während Arbeit (W) mit dem Energietransfer durch Arbeitsvorgänge zusammenhängt. Verrichtet das System beispielsweise Arbeit an der Umgebung, so fließt Energie vom System an die Umgebung. Umgekehrt fließt Energie von der Umgebung zum System, wenn die Umgebung Arbeit am System verrichtet.
Innere Energie und der erste Hauptsatz der Thermodynamik
Die innere Energie (U) eines Systems ist die Summe der gesamten kinetischen Energie aller Moleküle im System und der gesamten potenziellen Energie, die aus den Wechselwirkungen zwischen den Molekülen resultiert. Fließt Wärme aus der Umgebung zum System (nimmt das System Energie auf), erhöht sich seine Energie. Umgekehrt verringert sich seine Energie, wenn das System Arbeit an der Umgebung verrichtet (gibt das System Energie ab).
Auf Grundlage des Energieerhaltungssatzes ergibt sich die innere Energieänderung im System wie folgt: Dem System wird Wärme zugeführt (das System nimmt Energie auf) minus der vom System verrichteten Arbeit (das System gibt Energie ab).
ΔU = Änderung der inneren Energie, Q = Wärme, W = Arbeit
Die innere Energie ist eine mikroskopische Größe eines Systems, deren Wert daher nicht direkt messbar ist. Änderungen der inneren Energie lassen sich jedoch anhand der dem System zugeführten und der vom System in Form von Wärme und Arbeit abgegebenen Energie bestimmen. Im Gegensatz dazu sind makroskopische Größen wie Temperatur (T), Druck (p), Volumen (V) und Masse (m) oder Stoffmenge (n) bekannt.
Wärme und Arbeit spielen ausschließlich beim Energieaustausch zwischen System und Umgebung eine Rolle. Sie sind keine Größen, die den Zustand des Systems beschreiben.
Vorzeichenregeln für Wärme (Q) und Arbeit (W)
Die Vorzeichenregeln für Wärme und Arbeit sind an die Gleichung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik angepasst. Wärme (Q) in der obigen Gleichung ist die dem System zugeführte Wärme (Q positiv), während Arbeit (W) die vom System verrichtete Arbeit ist (W positiv). Wird dem System Wärme zugeführt, ist Q negativ. Wird am System Arbeit verrichtet, ist W negativ.
Beispiel 1 :
Wenn dem System 2000 Joule Wärme zugeführt werden, während das System 1000 Joule Arbeit verrichtet, wie stark ändert sich dann die innere Energie des Systems?
Lösung
Δ U = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 Joule.
Das System absorbiert 2000 Joule Wärme (Energieaufnahme) und verrichtet gleichzeitig 1000 Joule Arbeit (Energieabgabe). Die Energieänderung des Systems beträgt 1000 Joule.
Beispiel 2 :
Dem System werden 2000 Joule Wärme zugeführt. Das System verrichtet Arbeit in Höhe von 1000 Joule. Berechnen Sie die Änderung der inneren Energie des Systems.
Lösung
Wenn das System Wärme freisetzt, dann ist Q negativ.
Δ U = Q – W = -2000 – 1000 = -3000 Joule.
Das System gibt 2000 Joule Wärme ab. Gleichzeitig verrichtet es Arbeit in Höhe von 1000 Joule (Systemenergie wird freigesetzt). Dadurch verringert sich die innere Energie des Systems um 3000 J.
Beispiel 3 :
Dem System werden 2000 Joule Wärme zugeführt und 1000 Joule Arbeit am System verrichtet. Berechnen Sie die Änderung der inneren Energie des Systems.
Lösung
Am System wurden Arbeiten durchgeführt, daher ist W negativ.
Δ U = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 Joule.
Die innere Energie des Systems erhöht sich um 3000 Joule.
