In der Thermodynamik ermöglicht uns die Untersuchung der Eigenschaften eines Systems zu verstehen, wie Energie, Arbeit und Wärme innerhalb dieses Systems interagieren.
Eine thermodynamische Eigenschaft ist jedes Merkmal eines Systems, das gemessen oder berechnet werden kann und seinen Zustand beschreibt. Mithilfe von Eigenschaften können wir verstehen, wie ein System während eines Prozesses Änderungen in Energie, Arbeit und Wärme erfahren kann. Diese Eigenschaften lassen sich in zwei Haupttypen einteilen: intensive Eigenschaften , die nicht von der Menge der Materie abhängen, und umfangreiche Eigenschaften , die von der Menge der Materie im System abhängen.
Intensive thermodynamische Eigenschaften
Intensive Eigenschaften sind solche, die nicht von der Menge der im System vorhandenen Materie abhängen. Das heißt, wenn ein System in kleinere Teile zerlegt wird, bleibt der Wert einer intensiven Immobilie in jedem Teil gleich. Intensive Eigenschaften beschreiben die intrinsische Natur einer Substanz oder eines Systems, unabhängig von der Größe oder Menge des Materials.
Ein klassisches Beispiel, um dies zu veranschaulichen, ist die Temperatur . Wenn Sie einen Liter Wasser mit 25 °C haben und ihn auf zwei Halbliterbehälter aufteilen, beträgt die Temperatur in beiden Behältern immer noch 25 °C. Ebenso werden andere intensive Eigenschaften wie Druck, Dichte und spezifisches Volumen nicht von der Größe des Systems beeinflusst.
Beispiele für intensive Eigenschaften
- Dichte : Die Dichte ist das Verhältnis zwischen der Masse einer Substanz und dem Volumen, das sie einnimmt. Seine Formel lautet:
Dichte=Masse/Volumen.
Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um eine kleine Probe oder ein großes Substanzvolumen handelt, die Dichte bleibt konstant, solange sich Temperatur und Druck nicht ändern. - Spezifisches Volumen : Das spezifische Volumen ist das Volumen, das eine Masseneinheit eines Stoffes einnimmt. Es ist das Gegenteil der Dichte:
Spezifisches Volumen = 1 / Dichte.
Es handelt sich um eine weitere intensive Eigenschaft, da sie nicht von der Gesamtmenge der vorhandenen Substanz abhängt, sondern davon, wie das Volumen im Verhältnis zur Masse verteilt ist. - Druck : Druck ist die Kraft, die ein System pro Flächeneinheit auf seine Grenzen ausübt. Beispielsweise ändert sich in einem eingeschlossenen Gas der Druck bei der Volumenteilung nicht, solange sich die Temperatur- und Gasmengenbedingungen nicht ändern.
- Temperatur : Die Temperatur ist ein Maß für den thermischen Zustand einer Substanz und hängt mit der durchschnittlichen kinetischen Energie der Partikel im System zusammen. Es handelt sich um eine intensive Eigenschaft, da ihr Wert unabhängig von der Größe oder Menge der Substanz ist.
- Zusammensetzung : Die chemische Zusammensetzung eines Stoffes, beispielsweise seine Konzentration oder das Verhältnis der Komponenten in einer Mischung, ist eine weitere intensive Eigenschaft. Beispielsweise bleibt der Salzgehalt einer Kochsalzlösung gleich, egal wie viel Lösung vorhanden ist.
Bedeutung intensiver Eigenschaften
Intensive Eigenschaften spielen eine entscheidende Rolle bei der Identifizierung und Charakterisierung von Materialien und Systemen, da sie unabhängig von der Größe oder Menge der Materie sind.
Dies ist besonders nützlich bei industriellen und wissenschaftlichen Prozessen, bei denen eine kleine Materialprobe analysiert werden kann, um Informationen zu erhalten, die auf eine größere Menge anwendbar sind.
Umfangreiche thermodynamische Eigenschaften
Extensive Eigenschaften hingegen hängen direkt von der Menge der im System vorhandenen Materie ab.
Wenn eine Anlage in zwei Teile geteilt wird, wird auch der Wert eines ausgedehnten Grundstücks auf diese beiden Teile aufgeteilt. Beispielsweise ist das Volumen eines Systems eine umfangreiche Eigenschaft: Wenn Sie ein Volumen von 1 m³ haben und es in zwei gleiche Teile teilen, hat jeder Teil ein Volumen von 0,5 m³.
Umfangreiche Eigenschaften summieren sich zu einem System aus Subsystemen. Wenn Sie beispielsweise zwei Subsysteme mit unterschiedlichen Massen haben, ist die Gesamtmasse des Systems die Summe der Massen der Subsysteme.
Beispiele für umfangreiche Immobilien
- Masse : Die Masse ist ein Maß für die Menge an Materie in einem System. Es kommt natürlich auf die Größe des Systems an. Wenn Sie ein System in Teile unterteilen, ist die Masse jedes Teils proportional zur Größe des Teils.
- Volumen : Volumen ist der von einer Substanz eingenommene Raum. Wie die Masse ist es eine umfangreiche Eigenschaft, da das Volumen eines Systems die Summe des Volumens aller seiner Teile ist.
- Innere Energie : Innere Energie ist die Summe aller mikroskopischen Energien in einem System, einschließlich der kinetischen und potentiellen Energien der Moleküle, aus denen es besteht. Es handelt sich um eine umfangreiche Eigenschaft, da sie von der Gesamtmenge der Materie im System abhängt.
- Enthalpie : Die Enthalpie ist ein Maß für die Gesamtenergie eines Systems, einschließlich der inneren Energie und der Energie, die benötigt wird, um seine Umgebung bei konstantem Druck zu verdrängen. Es ist umfangreich, da es von der Menge der Materie im System abhängt.
- Entropie : Entropie ist ein Maß für die Unordnung oder die Energiemenge, die in einem System nicht in Arbeit umgewandelt werden kann. Es handelt sich um eine umfangreiche Eigenschaft, denn je größer die Materiemenge, desto größer die Unordnung und Gesamtentropie des Systems.
Zusammenhang zwischen Extensiv- und Intensiveigenschaften
Eine umfangreiche Eigenschaft kann in eine intensive Eigenschaft umgewandelt werden, wenn sie in Massen-, Volumen- oder Moleinheiten ausgedrückt wird. Zum Beispiel:
- Dichte : Man erhält sie, indem man die Masse (extensiv) durch das Volumen (extensiv) dividiert, was zu einer intensiven Eigenschaft führt.
- Spezifisches Volumen : Man erhält es, indem man das Volumen (extensiv) durch die Masse (extensiv) dividiert, wodurch eine intensive Eigenschaft entsteht.
Diese Art der Transformation ist nützlich, um Eigenschaften zu normalisieren und Vergleiche zwischen Systemen unterschiedlicher Größe anzustellen.
Beziehung zwischen Eigenschaften und Zustandsgleichungen
Die Beziehungen zwischen den thermodynamischen Eigenschaften eines Systems werden durch die Zustandsgleichungen bestimmt .
Eine Zustandsgleichung ist eine mathematische Beziehung, die verschiedene intensive und umfangreiche Eigenschaften eines Systems miteinander verbindet und es ermöglicht, das Verhalten des Systems unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen.
Die bekannteste Zustandsgleichung ist die ideale Gasgleichung , die den Druck (P), das Volumen (V) und die Temperatur (T) eines idealen Gases durch die Konstante () mit der Stoffmenge (n) in Beziehung setzt. R):
P·V=n·R·T
In komplexeren Systemen wie Flüssigkeiten und Feststoffen sind ausgefeiltere Zustandsgleichungen erforderlich, um thermodynamische Eigenschaften in Beziehung zu setzen.
Thermodynamische Variablen
Thermodynamische Variablen sind physikalische Größen, die den Zustand eines Systems im Gleichgewicht beschreiben.
Thermodynamische Variablen können wie Eigenschaften intensiv oder extensiv sein. Darüber hinaus werden sie auch Zustandsfunktionen genannt , da sie nur vom aktuellen Zustand des Systems abhängen und nicht davon, wie dieser Zustand erreicht wurde.
Staatsfunktionen
Zustandsfunktionen sind solche Größen, deren Wert ausschließlich vom aktuellen Zustand des Systems abhängt, unabhängig vom Weg, der zu diesem Zustand führt. Das bedeutet, dass es keine Rolle spielt, wie eine bestimmte Temperatur oder ein bestimmter Druck erreicht wurde. Wichtig ist der Endwert der Variablen und nicht die Zwischenschritte.
Beispiele für Zustandsfunktionen sind innere Energie, Enthalpie und Entropie. Diese Funktionen sind für die Durchführung von Energie- und Effizienzanalysen in thermodynamischen Systemen unerlässlich.