Die Entwicklung bestimmter Größen oder Eigenschaften in Bezug auf ein bestimmtes thermodynamisches System wird als thermodynamischer Prozess bezeichnet. Diese Eigenschaften werden thermodynamische Eigenschaften genannt.
Um einen thermodynamischen Prozess zu untersuchen, ist es erforderlich, dass sich das System am Anfangs- und Endpunkt des Prozesses im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Das heißt, die Größen, die beim Übergang von einem Zustand in einen anderen eine Variation erfahren, müssen in ihrem Anfangs- und Endzustand vollständig definiert sein. Ein thermodynamisches System befindet sich grundsätzlich in einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand, wenn die Hauptvariablen des Systems unverändert bleiben. Das heißt, Druck, Volumen und Temperatur bleiben über die Zeit nicht konstant.
Ein thermodynamischer Prozess kann auch als die Änderung eines Systems von Anfangsbedingungen zu anderen Endbedingungen angesehen werden.
Ein thermodynamischer Prozess kann reversibel oder irreversibel sein . Alle realen Transformationen sind irreversibel, da Reibungen nicht vollständig beseitigt werden können, sodass die Reversibilitätsbedingung nur eine theoretische Näherung ist.
Die Theorie thermischer Prozesse wird auf die Konstruktion von Motoren , Kühlaggregaten, der chemischen Industrie und der Meteorologie angewendet.
Arten thermodynamischer Prozesse
Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse sind die folgenden:
- Isobarer Prozess : findet bei konstantem Druck statt. Mit anderen Worten: Das System ist über eine bewegliche Grenze dynamisch mit einem Reservoir unter konstantem Druck verbunden. Wenn sich ein perfektes Gas isobar vom Zustand A in den Zustand B entwickelt, folgen die damit verbundene Temperatur und das Volumen dem Gesetz von Charles.
- Isochorer Prozess : Das Volumen bleibt konstant. Wenn das System also ein konstantes Volumen hat, ist die vom System geleistete Arbeit Null. Dies bedeutet, dass der Prozess keine Druck-Volumen-Arbeit leistet. Daraus folgt, dass die von außen an das System abgegebene Wärmeenergie von diesem in Form von innerer Energie absorbiert wird.
- Isothermer Prozess (oder isothermer Prozess): findet bei konstanter Temperatur statt. Mit anderen Worten: Das System ist über eine wärmeleitende Grenze thermisch mit einem Reservoir mit konstanter Temperatur verbunden.
- Adiabatischer Prozess : Es handelt sich um einen Prozess, bei dem keine Wärmeübertragung stattfindet. Bei einem reversiblen Prozess ist dies identisch mit einem isentropen Prozess. Man kann sagen, dass das System thermisch von seiner Umgebung isoliert ist und keinen Wärmeaustausch mit der Umgebung durchführen kann.
- Isentropischer Prozess : findet bei konstanter Entropie statt. Bei einem reversiblen Prozess ist dies identisch mit einem adiabatischen Prozess.
- Prozess konstanten chemischen Potentials : Das System ist durch Partikelübertragung mit einer für die Partikel durchlässigen Grenze verbunden.
- Prozess mit konstanter Teilchenzahl : Durch die Teilchenübertragung wird dem System keine Energie hinzugefügt oder entzogen. Man kann sagen, dass das System durch die Übertragung von Partikeln von seiner Umgebung durch eine für die Partikel durchlässige Grenze isoliert wird.
- Polytroper Prozess : Ein polytroper Prozess ist ein thermodynamischer Prozess, bei dem die Wärmekapazität eines Gases unverändert bleibt, das heißt, es findet kein Wärmeaustausch statt.
Alltagsbeispiele
Nachfolgend stellen wir einige Alltagsbeispiele vor, in denen thermodynamische Prozesse ablaufen:
- Solarwarmwasserbereiter ( isothermes Verfahren ): Ein Solarwarmwasserbereiter ist ein Gerät, das Sonnenstrahlung zum Erhitzen von Wasser nutzt. Tagsüber trifft Sonnenlicht auf einen Solarkollektor und erhitzt eine darin zirkulierende Flüssigkeit (z. B. Wasser oder Frostschutzmittel). Dieser Prozess kann als isotherm betrachtet werden, da die Temperatur während der Absorption der Sonnenenergie relativ konstant bleibt.
- Garen von Speisen ( isothermer Prozess ): Wenn Sie Speisen kochen, beispielsweise kochendes Wasser zur Herstellung von Nudeln, erleben Sie einen isothermen Prozess, bei dem die Temperatur konstant bleibt. Bei diesem Vorgang wird Wärmeenergie auf das Wasser übertragen, was zu einem Temperaturanstieg führt und das Garen der Speisen ermöglicht.
- Aufblasen eines Ballons ( adiabatischer Prozess ): Beim Aufblasen eines Ballons führen Sie einen adiabatischen Prozess durch , da dieser ohne Wärmeübertragung zum oder vom System erfolgt. Die Luft im Inneren des Ballons wird beim Aufblasen schnell komprimiert, wodurch sich die Temperatur erhöht.
- Kühlen von Lebensmitteln im Kühlschrank ( isobarer Prozess ): Wenn Sie heiße Lebensmittel in den Kühlschrank stellen, erleben Sie einen isobaren Prozess, bei dem der Druck konstant bleibt. Die Wärmeenergie wird von den Lebensmitteln an die kühlere Umgebung des Kühlschranks übertragen und kühlt diese allmählich ab.
- Aufwärmen des Autos ( isochorischer Prozess ): Beim Starten eines Autos an einem kalten Tag kann der Aufwärmvorgang des Motors als isochor betrachtet werden, da das Volumen der Gase im Zylinder konstant bleibt. Durch die Verbrennung von Kraftstoff steigt die Temperatur.
- Verwendung eines Aerosols (freie Expansion): Wenn der Inhalt eines Aerosols, beispielsweise Deodorant oder Sprühfarbe, freigesetzt wird, kommt es zur freien Expansion. Bei diesem Vorgang findet keine nennenswerte Wärmeübertragung statt und die schnelle Freisetzung des Inhalts ist auf den aufgebauten Druck zurückzuführen.
