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thermodynamik (Subject) / 1. Grundbegriffe der Thermodynamik (Lesson)

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• thermodynamische System materieerfüllter, räumlich ausgedehnter Bereich, welcher die Objekte thermodynamischer Untersuchungen darstellet. kurz: Systeme
• Umgebung Alles außerhalb eines Systemes ("Beobachtungsraumes") heißt Umgebung.
• Systemgrenzen Abgrenzung des Systems von seiner Umgebung erfolgt durch Systemgrenzen. Systemgrenzen können materielle Begrenzungsflächen (Wandungen) oder auch gedachte Flächen sein. In der techn. Thermodynamik werden den Systemgrenzen idealisierte Eigenschaften zugeordnet. Sie schränken die Art der Energieübertragung ein.
• Änderungen des Zustandes Energieübertragung über die Systemgrenze bewirkt Änderungen des Zustandes im System.
• Arten der Energieübertragung ... durch Materieübertragung (z.B. Teil in Raum tragen) ... durch Wärmeübertragung ... durch Verrichtung von Arbeit (z.B. Fahrradpumpe)
• geschlossenes System System mit einer stoffundurchlässigen Systemgrenze. Die Menge an Stoff kann sich nicht ändern, das Volumen des Systems hingegen kann sich ändern. Beispiel: Zylinder mit beweglichen Kolben
• offenes System System, mit einer stoffdurchlässigen Systemgrenze. Die Menge an Stoff kann sich ändern. Die Systemgrenze eines offenen Systems wird auch als Kontrollraum bezeichnet. Die Kontrollraumbegrenzungsflächen werden meist als feststehend angenommen.  Beispiel: Wärmeübertrager (Kühler im Auto)
• Kontrollraum Systemgrenze eines offenen Systems wird auch als Kontrollraum bezeichnet.  Die Kontrollraumbegrenungsflächen werden meist als feststehend angenommen. 
• adiabates System Ein System wird als adiabates System bezeichnet, wenn die Systemgrenze undurchlässig für Wärme ist. Die Systemgrenze ist adiabat. Dies repräsentiert den Grenzfall einer vollkommenen Wärmeisolierung (was es eigentlich nicht gibt).
• diathermes System Ein System wird als diathermes System bezeichnet, wenn die Systemgrenze durchlässig für Wärme ist. Die Systemgrenze wird durch sog. diatherme Wände gebildet.
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• rigides System Wönde des Systems sind starr und unverschiebbar. Es kann keine Volumenänderungsarbeit geleistet werden. Bsp. verschlossener Druckbehälter
• Volumenänderungsarbeit Sind die Wände verschiebbar oder verformbar, kann am System sog. Volumenänderungsarbeit geleistet werden. Bsp Fahrradluftpumpe. Bei offenen Systemen wird an den Rohrstutzen sog. Verschiebearbeit geleistet. (z.B. durch ankommendes Fluid) Bei offenen Systemen wird über rotierende Wellen sog. technische Arbeit geleistet. Bsp.: Turboverdichter.
• abgeschlossenes System Ein System, dessen Systemgrenzen jeglichen Energietransport unterbinden.  Die Systemgrenzen eines abgeschlossenen Systems sind: ... geschlossen  --> kein Stofftransport ... Adiabat   --> kein Wärmetransport ... Rigid    --> keine Möglichkeit, Arbeit zu leisten "Das System ist von der Außenwelt abgeschnitten"
• Einstoffsystem System, welches nur eine Sorte von Atomen oder Molekülen beinhaltet.
• Mehrstoffsystem Ein System, das ein Gemisch unterschiedlicher Atome oder Moleküle beinhaltet.
• homogenes System Zusatnsvariablen an jeder Stelle im System gleich. Physikalische Größen sind an jedem Ort im System gleich.
• heterogenes System Zustandsvariablen im System unregelmäßig ungleich physikalische Größen innerhalb eines Systems sind unterschiedlich. z.B: Wasser mit Wasserdampf
• Phasen Homogene Bereiche in Systemen nennt man Phasen
• Phasengrenzen An den Phasengrenzen ändern sich einige physikalische Größen sprunhaft, meinstens die Dichte und optische Eigenschaften. Beispiel: Benzintank Phase 1: Flüssigphase, sie enthält Benzin und gelöste Luft Phase 2: Gasphase, sie enthält Luft und Benzindämpfe Phasengrenze ist der Flüssigkeitsspiegel - Dichte und Farbe ändern sich hier sprunghaft.
• kontinuierliches System Zustandsvariablen an jeder Stelle im System mathematisch beschreibbar. Bsp: homogene Flüssigkeit kein homogenes System, weil Druck unten > Druck oben -- aber kontinuierlich, weil Druck überall ermittelt werden kann 
• fluides System Bei den meisten in der techn. Thermodynamik betrachteten Systemen ist die Systemmaterie ein Gas oder eine Flüssigkeit. Daher werden Gase und Flüssigkeiten unter der gemeinsamen Bezeichnung Fluid zusammengefasst.  Ein solches System heißt fluides System.  Gasförmige und flüssige Phasen werden entsprechend als fluide Phasen bezeichnet.
• fluide Phasen Gasförmige und flüssige Phasen werden als fluide Phasen bezeichnet.
• physikalische Größen (Thermodynamik) Die physikalischen Größen (Volumen, Druck, Temperatur sind relevant für Thermodynamik), die ein thermodynamisches System in seinen Eigenschaften beschreiben, sind keine konstanten Größen sondern Variablen.
• Zustand Die Situation, in der alle Variablen einen festen Wert angenommen haben, bezeichnet man als Zustand des Systems. Die Variablen heißen daher auch Zustandsvariablen (alternativ Zustandsgrößen oder Zustandskoordinaten). Durch Wechselwirkung des Systems mit der Umgebung ändern sich diese Variablen (z.B. Wäremeübertragung) Zustand: Satz von phys. Größen, wo jede einen festen Zustand hat
• äußere Zustandsgrößen Äußerer (mechanischer) Zustand eines Systems wird durch äußere Zustandsgrößen beschrieben: - Ortskoordinaten des Systemschwerpunktes (insbes. geodätische Höhe z.B. Meereshöhe u. Gebirge) (Bei den meisten thermodyn. Betrachtungen interessiert nur der innere Zustand)
• innere Zustandsgrößen Innerer (thermodynamischer) Zustand eines Systems wird durch innere Zustandsgrößen beschrieben: - Druck - spez. Volumen, bzw. Dichte - Temperatur - andere z.B. Brechungsindex --> diese interessieren aber nicht Bei den meisten thermodyn. Betrachtungen interessiert nur der innere Zustand. 
• Extensive und intensive Zustandsgrößen Die inneren Zustandsgrößen lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Extensive (mengenabhängige) Zustandsgrößen sind proportional zur Menge an Systemmaterie (Masse bzw. Stoffmenge). Bei einer gedachten Teilung eines Systems ändern die Zustandsgrößen ihren Wert.  --> Energiegrößen und das Volumen, Massej sind extensive Zustandsgrößen. Intensive (mengenunabhängige) Zustandsgrößen behalten bei einer gedachten Teilung eines Systems ihre Werte unverändert bei.  --> Druck, Temperatur, Dichte sind intensive Zustandsgrößen
• spezifische Zustandsgröße Dividiert man eine extensive Zustandsgröße durch die Systemmasse, so erhält man eine spezifische Zustandsgröße: v= V/m Spezifische und molare Zustandsgrößen sind intensive Zustandsgrößen!
• molare Zustandsgröße Dividiert man eine extensive Zustandsgröße durch die Systemstoffmenge, so erhält man eine molare Zustandsgröße: Vm=V/n Spezifische und molare Zustandsgrößen sind intensive Zustandsgrößen!
• einfaches System einfache Systeme sind homogene fluide Systeme, bzw. fluide Phasen
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• Beschreibung des inneren Zustandes einfacher Systeme Zur eindeutigen Beschreibung des inneren Zustandes sog. einfacher Systeme genügen die folgenden 3 intensiven Zustandsgrößen: - spezifisches Volumen v - Druck p - Temperatur T Diese Zustandsgrößen heißen thermische Zustandsgrößen, da sie den thermodynamischen Zustand beschreiben.  Der innere Zustand enthält noch keine Information über die Größe des Systems. Man spricht daher auch vom intensiven inneren Zustand.  (Jede extensive gibt Info über Größe)
• Beschreibung der Größe eines Systems Die Art (z.B. Einstoff-, Mehrstoffsystem) der Systemmaterie wird beschrieben durch Angabe der im System enthaltenen Stoffe, d.h. durch die Summenformeln der enthaltenen Substanzen (z.B. H20, CO2, CH4,...) Die Quantifizierung der Materiemenge erfolgt über Massen- oder Stoffmengenangaben.  Masse und Stoffmenge einer Komponente hängen zusammen! (siehe F.25) Das extensive Volumen beschreibt die räumliche Ausdehnung eines Systems und hängt die Masse und spez. Volumen zusammen: V=m * v
• Teilchenzahl, Avogadrokonstante, Stoffmenge, Molmasse Die Menge eines Stoffes kann durch die Teilchenzahl N quantifiziert werden, was für makroskopische Betrachtungen aber ungeeignet ist. Stattdessen wird dem Vielfachen einer Teilchenzahl gearbeitet, der sog. Stoffmenge n. Die Stoffmenge n hängt mit der Teilchenzahl N über die Avogadrokonstante A(N) zusammen: n = N / N(A) mit N(A)=6,003E23 mol^-1 Die Molmasse (molare Masse) ist die Masse von 1 mol Teilchen: M=m(teilchen)*N(A)= m(teilchen)*N/n=m/n
• thermische Zustandsgleichung Experimente haben ergeben, dass die drei thermischen Zustandsgrößen p,T,v nicht unabhängig voneinander sind, sondern sie stehen über eine sog. Zustandsgleichung (Zustandsfunktion) in einem Zusammenhang.  Diese besondere Zustandsgleichung heißt thermische Zustandsgleichung, da sie den Zusammenhang zwischen den thermischen Zustandsgrößen beschreibt:  F(p,T,v) = 0 Die thermische Zustandsgleichung eines bestimmten Stoffes muss durch Experimente ermittelt werden.  Schlussfolgerung: Zur Eindeutigen Beschreibung des inneren Zustandes eines einfachen Systems bedarf es somit nur 2 intensiver Zustandsgrößen, da die dritte Zustandsgröße über die thermische Zustandsgleichung ermittelt werden kann. 

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