ZU DEN KURSEN!

Thermodynamik - Innere Energie, Wärme und Arbeit

Kursangebot | Thermodynamik | Innere Energie, Wärme und Arbeit

Thermodynamik

Innere Energie, Wärme und Arbeit

Inhaltsverzeichnis

Es soll im Weiteren nicht mehr die Systemenergie $E$ betrachtet werden, sondern die innere Energie $U$, welche Teil der Systemenergie ist.

Methode

$E = E_{kin} + E_{pot} + \textbf{U}$

Unter der inneren Energie $U$ eines Systems versteht man den gesamten Energieinhalt des Systems, soweit er von dem inneren Zustand dieses Systems abhängt. Die innere Energie eines Systems besteht dabei im Wesentlichen aus

  • der thermischen Energie
  • der chemischen Energie
  • der Kernenergie.

Addiert man somit diese drei Energieanteile zusammen, erhält man die innere Energie eines Systems. Beachte: Zur inneren Energie eines Systems gehört nicht die potentielle Energie $E_{pot}$ (Energie der Lage im Gravitationsfeld) und auch nicht die kinetische Energie $E_{kin}$ (Bewegungsenergie) des gesamten Systems. 

Wärme und Arbeit

Man betrachtet ein geschlossenes ruhendes thermodynamisches System. Ein ruhendes System besitzt keine Änderung der kinetische und potentielle Energie, man kann also die Änderung der inneren Energie $\triangle U$ bestimmen und diese ist gleich der Änderung der Systemenergie $triangle E$. Da es sich um ein geschlossenes (nicht abgeschlossenes) System handelt, kann Wärme $Q$ und Arbeit $W$ übertragen werden, jedoch keine Masse $m$. Wenn man dem geschlossenen System nun Wärme oder Arbeit zuführt bzw. entzieht, dann erhöht bzw. verringert sich die Energie des Systems. Diese Änderung der inneren Energie innerhalb des geschlossenen System wird folgendermaßen ausgedrückt:

Methode

$U_2 - U_1 = \triangle U = \triangle W + \triangle Q$

mit

$\triangle U = \text{Änderung der inneren Energie}$

$W = \text{Arbeit}$

$Q = \text{Wärme}$

Die innere Energie $U$ eines thermodynamischen Systems ist eine Zustandsgröße. D.h. wenn ein System reversibel ist, sich also nach Änderung seines Zustandes wieder in den ursprünglichen Zustand umkehrt, dann besitzt die innere Energie wieder den Anfangswert. Die innere Energie ändert ihren Wert durch Aufnahme bzw. Abgabe von Arbeit oder Wärme. Es ist allerdings extrem schwierig die innere Energie als Absolutwert zu bestimmen. Dies ist aber in den meisten Fälle auch gar nicht nötig, weil in der Thermodynamik nur die Änderung der inneren Energie eines Systems von Bedeutung ist.

In den folgenden Abschnitten soll gezeigt werden, wie sich die innere Energie $U$ eines geschlossenen System verändert, wenn man diesem Arbeit $W$ oder Wärme $Q$ zuführt.

Merke

WICHTIG: Der Energieerhaltungssatz gilt nur für abgeschlossene Systeme. Wenn die Änderung der kinetischen und potentiellen Energie in einem abgeschlossenen System gleich Null ist, so ist die Änderung der inneren Energie auch gleich Null, denn nur dann ist die Änderung der Systemenergie gleich null. Im Weiteren betrachten wir nun aber geschlossene Systeme. Wärme und Arbeit können also dem System zu- oder abgeführt werden. Die innere Energie verändert sich also und damit auch die Systemenergie. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Änderung der kinetischen und potentielle Energie gleich Null ist.