Jede thermodynamische Untersuchung beginnt mit einer exakten Abgrenzung des Untersuchungsgegenstandes von der ihn umhüllenden Umgebung durch eine Systemgrenze. Der Untersuchungsgegenstand wird durch ein black-box-ähnliches Modell wiedergegeben, das man thermodynamisches Modell nennt. Man betrachtet nur, was an den Grenzen des Systems zur Umgebung passiert. Die Systemgrenze kann eine tatsächlich sichtbare, materiell reale oder eine lediglich gedanklich formulierte Grenze sein, die entweder starr ausgebildet oder einer Volumenänderung folgend beweglich festzulegen ist. Untersucht werden dabei immer die an der Systemgrenze zu bilanzierenden Wechselwirkungen zwischen System und Umgebung. Als Wechselwirkungen des Systems mit der Umgebung kommen in Betracht: Stoffaustausch, Zufuhr oder Verrichtung von Arbeit sowie Zu- oder Abfuhr von Wärme. Je nach Aufgabenstellung ordnet man der Systemgrenze zweckmäßige Eigenschaften zu, die die thermodynamische Analyse vereinfachen.
Merke
Nach den jeweils vorliegenden Eigenschaften heißt eine Systemgrenze:
- adiabat, wenn keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht werden kann (also eine ideale Wärmeisolierung vorliegt)
- rigid, wenn keine Arbeit mit der Umgebung ausgetauscht werden kann (arbeitsisoliert)
- geschlossen, wenn kein Stoffstrom über die Systemgrenze treten kann; die Masse des Systems bleibt konstant, das Volumen kann sich ändern
- abgeschlossen oder isoliert, wenn weder ein Stoffstrom, noch Arbeit oder Wärme über die Systemgrenze treten kann (Beachten Sie, welche enorme Bedeutung die kleine Vorsilbe „ab“ haben kann!)
- offen, bei beliebiger Wechselwirkung mit der Umgebung, also wenn die Systemgrenze für Arbeit, Wärme und Stoffströme durchlässig ist.
Die hier aufgeführten Anforderungen an eine Systemgrenze sind in der Praxis zumeist nicht zu verwirklichen, sondern ihrerseits schon Modelle, die einen angestrebten Sachverhalt mehr oder weniger gut wiedergeben. Wenn wir uns siedend heißen Tee in einer verschlossenen Thermoskanne vorstellen, kommt man hier einem abgeschlossenen System sehr nahe (Stoff- und Arbeitstransport finden nicht statt, der Wärmeaustausch mit der Umgebung ist stark gehemmt, aber nach 24 Stunden ist auch der Tee kalt).
Weitere Beispiele für thermodynamische Systeme mit speziellen Eigenschaften der Systemgrenze für ausgewählte Untersuchungsobjekte sind:
- eine sehr gut wärmeisolierte Rohrleitung, in der Wasser von links eintritt, im Rohr strömt und rechts wieder austritt,
Ein offenbar geeignetes Modell ist ein offenes thermodynamisches System, was man am ein- und ausströmenden Wasser erkennt. Die Zylinderwände können als adiabat angesehen werden. Dieses System tauscht keine Arbeit mit der Umgebung aus. - ein Verbrennungsmotor als Ganzes,
Ein geeignetes thermodynamisches Modell ist als System mit offenen Systemgrenzen festzulegen, über die Systemgrenze treten Stoffströme (Luft, Brennstoff, Abgas), Wärme als Abgaswärme sowie Motorabwärme und Arbeit an der Kurbelwelle - ein gut wärmeisolierter Zylinder mit gasdicht eingepasstem Kolben und expandierendem Gas.
Ein geeignetes thermodynamisches Modell ist ein geschlossenes System mit adiabaten Systemwänden. Das Volumen des Systems vergrößert sich, die Systemgrenze ist hier veränderlich (Volumenvergrößerung). Die Masse der Luft bleibt konstant. Das System tritt durch Abgabe von Volumenänderungsarbeit mit der Umgebung in Wechselwirkung.
Merke
Offene Systeme kann man an zwei, nicht notwendig gleichzeitig zusammen auftretenden Merkmalen erkennen:
- Über die Systemgrenze treten mindestens ein zulaufender und ein ablaufender Stoffstrom
- Der Druck im System bleibt konstant. In vielen Fällen ist der konstante Druck, der durch eine offene Verbindung zur Umgebung zustande kommt, der Umgebungsdruck.
Bei offenen Systemen mit Stofftransport bezeichnet man die Systemgrenze auch als Bilanzhülle und das Systeminnere als Kontroll- oder Bilanzraum. Die Systemgrenze bei offenen Systemen ist immer als unveränderlich starr festzulegen.
Manchmal wird man durch die bloße Anschauung des Sachverhalts in die Irre geführt. Es kommt also immer auf eine sehr genaue Analyse der Situation an.
Beispiel
Beispiel 1:
Wir betrachten einen mit Wasser gefüllten Kochtopf auf einer Herdplatte, der nicht mit einem Deckel abgedeckt wurde. Dieser Kochtopf stellt trotz fehlendem Zu- und Ablauf zweifellos ein offenes System dar. Über die an der Außenwand des Kochtopfs gezogene Systemgrenze tritt von unten über die Herdplatte Wärme und oben entweicht eine geringe Menge Wasserdampf. Die mit dem fehlenden Deckel gegebene offene Verbindung zur Umgebung ist offensichtlich. Der Druck im System bleibt konstant.
Beispiel
Beispiel 2:
Betrachte wiederum einen mit Wasser gefüllten Kochtopf auf einer Herdplatte, diesmal mit einem Deckel abgedeckt! Auch dieses System ist ein offenes System, denn beim Erhitzen des Wassers bildet sich kurzzeitig ein leichter Überdruck unter dem Deckel durch den sich bildenden Wasserdampf. Der nur lose aufgelegte Deckel hebt sich von Zeit zu Zeit und sorgt für einen Druckausgleich ehe er wieder in die Ausgangslage zurück fällt.
Beispiel
Beispiel 3:
Betrachte jetzt einen Schnellkochtopf! Hier ist der Deckel nicht lose auf den Topf aufgelegt, sondern fest mit ihm verbunden. Dabei handelt es sich nun tatsächlich um ein geschlossenes System, solange nicht das Überdruckventil des Schnellkochtopfs gegen unzulässige hohe Innendrücke anspricht.
Merke
Nach dem inneren Aufbau von thermodynamischen Systemen werden unterschieden:
- homogene Systeme, die nur aus einem einzigen Stoff in einer einzigen Phase (fest, flüssig, gas förmig) bestehen und in allen Koordinatenrichtungen stets gleiche Eigenschaften aufweisen
- heterogene Systeme, die aus mehreren Phasen und Apparaten bestehen
Greifen wir noch einmal die Beispiele auf, die wir für die Erklärung der Eigenschaften der Systemgrenzen betrachtet haben, so ist der aus verschiedenen Teilen bestehende Verbrennungsmotor ein heterogenes System. Ebenso der mit einem Deckel lose abgedeckte Kochtopf, in dessen Inneren Wasser in zwei Phasen vorliegt, nämlich als siedende Flüssigkeit und trocken gesättigter Dampf.
Ein homogenes System wäre das in dem Rohr strömende Wasser, sofern die Systemgrenze um das die Rohrinnenwand benetzende Wasser gelegt wird. Schließt man die nicht aus Wasser bestehende Rohrwand in die Betrachtung ein, läge ein heterogenes System vor.
Man nennt ein thermodynamisches System einfach, wenn es nur aus einer Phase (Flüssigkeit oder Gas) besteht, nicht dem Einfluss äußerer elektrischer oder magnetischer Felder unterworfen ist und keine Kapillarkräfte (Oberflächeneffekte) auftreten.
Man kann thermodynamische Systeme – wenn es die Situation erfordert – auch noch in einzelne Teilsysteme zerlegen.
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