Größen, die das thermodynamische System näher charakterisieren, nennen wir Zustandsgrößen. Der Zustand eines thermodynamischen Systems wird dadurch bestimmt, dass die Zustandsgrößen feste Werte annehmen.
Mit einer Energieübertragung vom System an die Umgebung über die Systemgrenze oder umgekehrt kommt es zwischen System und Umgebung zu Wechselwirkungen, die eine Zustandsänderung des Systems von einem Gleichgewichtszustand in einen anderen bewirken. Für die Beschreibung einer Zustandsänderung ist es ausreichend, allein den zeitlichen Verlauf der Zustandsgrößen festzuhalten.
Zustandsgleichungen beschreiben auf jeweils einen bestimmten Stoff bezogen den mathematischen Zusammenhang zwischen Zustandsgrößen.
Merke
Zustandsgrößen unterteilt man in drei Klassen:
- intensive Zustandsgrößen sind stets unabhängig von der Größe (Masse) des Systems und behalten
deshalb bei einer Aufteilung des Systems in Teilsysteme ihre Werte bei (Beispiele: Temperatur T
und Druck p) - extensive Zustandsgrößen sind stets proportional zur Systemmasse (Beispiele: Volumen V, innere
Energie U, Enthalpie H und die Masse m selbst). Setzt sich ein System aus Teilsystemen zusammen,
können extensive Zustandsgrößen für das Gesamtsystem aus der Summe der betreffenden extensiven
Zustandsgrößen für jedes Teilsystem errechnet werden. - spezifische Zustandsgrößen entstehen durch den Bezug einer extensiven Zustandsgröße auf die Masse (Beispiele: spezifisches Volumen v = $\frac{V}{m}$, spezifische Enthalpie h = $\frac{H}{m}$
Mit den thermischen Zustandsgrößen Volumen V, Druck p und Temperatur T eines zumeist fluiden Arbeitsstoffes wird der thermische Zustand eines Systems charakterisiert. Sie sind aus dem Blickwinkel der phänomenologischen Thermodynamik die messbaren Eigenschaften eines Systems. Die zwischen ihnen bestehenden Zusammenhänge sind für den Konstrukteur im Maschinenbau von eminenter Bedeutung. Das Volumen entscheidet mit den sich daraus ergebenden äußeren Abmessungen über die Größe einer Maschine oder Anlage, aus dem Druck werden die erforderlichen Wandstärken bestimmt und die Temperatur ist ein wichtiges Auswahlkriterium für die einzusetzenden Werkstoffe.
Die betreffenden Zustandsgleichungen müssen in der Regel für jeden einzelnen Stoff als stoffbezogene Gleichung formuliert werden.
Methode
$ \begin{align} F(p,V,T) = 0 \;\; \text{oder} \;\; V & = V(p,T)
\\ p & = p(V,T)
\\ T & = T(p,V) \end{align}$
Die oben angegebenen Gleichungen ermöglichen noch keine konkrete Rechnung, sondern sind lediglich der mathematisch kompakte Ausdruck dafür, dass es (für jeden Stoff) mathematische Beziehungen zwischen den Zustandsgrößen gibt. Beispiele, wie diese für bestimmte Stoffe konkret aussehen, behandeln wir später.
