Ein thermodynamisches System ist ein Teil des physikalischen Universums mit einer bestimmten Beobachtungsgrenze. Diese Grenze kann durch reale oder imaginäre Wände definiert werden.
Ein System enthält ein sogenanntes Untersuchungsobjekt. Ein Untersuchungsobjekt ist eine Substanz mit einer großen Anzahl von Molekülen oder Atomen. Dieses Objekt wird durch ein geometrisches Volumen mit makroskopischen Abmessungen gebildet, das kontrollierten experimentellen Bedingungen ausgesetzt ist.
Ein thermodynamisches System kann interne Umwandlungen durchlaufen und Energie und/oder Materie mit der äußeren Umgebung austauschen.
Definition: Was ist ein thermodynamisches System?
Ein thermodynamisches System wird als eine Materiemenge oder ein Raumbereich definiert, auf den sich bei der Analyse eines Problems die Aufmerksamkeit konzentriert.
Alles, was zum Äußeren des Systems gehört, wird als Umwelt oder Umgebung bezeichnet. Durch die Systemgrenze wird das System von der Umwelt abgegrenzt.
Das Limit kann fest oder variabel sein. Ein System und seine Umgebung zusammen.
Klassifizierung thermodynamischer Systeme
In der Thermodynamik können Systeme entsprechend ihrer Fähigkeit, Materie und Energie mit der Umgebung auszutauschen, in drei Hauptkategorien eingeteilt werden:
Offenes System
Ein System gilt als offen, wenn es über seine Grenzen hinweg den Austausch von Materie und Energie mit der Umgebung zulässt. Energieübertragung kann in Form von Wärme, Arbeit oder anderen Energieerscheinungen erfolgen.
Beispiel: Ein mit Wasser gefülltes Schwimmbecken ist ein offenes System, da Wasser ein- und ausströmen kann und die Wassertemperatur durch Einflüsse wie Heizung oder Windeinwirkung schwanken kann, was zu Verdunstungskälte führen kann.
Geschlossenes System
Ein geschlossenes System ist ein System, das den Energieaustausch mit der Umgebung über seine Grenzen hinweg ermöglicht (sei es in Form von Wärme, Arbeit oder anderen Energieformen), jedoch keine Übertragung von Masse zulässt.
Beispiel: Eine durch ein Ventil verschlossene Gasflasche ist ein geschlossenes System, solange das Ventil geschlossen bleibt, da sie ohne Masseverlust erwärmt oder gekühlt werden kann. Wird das Ventil allerdings geöffnet, kann Gas entweichen und das System wird offen.
Isoliertes System
Ein isoliertes System erfüllt zwei grundlegende Bedingungen:
- Es findet kein Materieaustausch mit der Umgebung statt.
- Es findet kein Energieaustausch mit der Umgebung statt.
Beispiel: Das Universum wird im Allgemeinen als isoliertes System betrachtet, da es keine Hinweise auf einen Austausch von Materie oder Energie mit etwas außerhalb des Universums gibt.
Zusätzliche Unterteilungen thermodynamischer Systeme
Da Systeme eine große interne Komplexität aufweisen können, ist es möglich, sie nach unterschiedlichen Kriterien in kleinere Subsysteme zu unterteilen.
Nach seiner inneren Zusammensetzung:
- Einfaches thermodynamisches System: Es wird durch eine einzige Grenze begrenzt und enthält keine internen Unterteilungen.
- Zusammengesetztes thermodynamisches System: Enthält innerhalb seiner Grenzen ein oder mehrere Subsysteme, die durch interne Grenzen getrennt sind.
Entsprechend seiner Homogenität:
- Homogene Systeme: Sie weisen über ihre gesamte Ausdehnung einheitliche makroskopische Eigenschaften auf.
- Heterogene Systeme: Sie weisen in verschiedenen Bereichen Variationen ihrer makroskopischen Eigenschaften auf. Ein Beispiel für ein heterogenes System ist eine Flüssigkeit im Gleichgewicht mit ihrem Dampf.
Eigenschaften thermodynamischer Systeme
Thermodynamische Systeme besitzen verschiedene Eigenschaften, die ihr Verhalten und die Gesetze, denen sie unterliegen, bestimmen:
- Systemgrenzen : Diese können real oder imaginär sein und bestimmen die Grenzen des Systems. Diese Grenzen können je nach Systemtyp starr oder beweglich sein.
- Austausch von Materie und Energie : Je nach Systemtyp kann es zu einem Austausch von Masse und Energie mit der Umgebung kommen, muss es aber nicht. Offene Systeme erlauben beide Austauschvorgänge, geschlossene Systeme nur Energie und isolierte Systeme keinen.
- Zustände und Gleichgewicht : Ein System kann durch thermodynamische Variablen wie Temperatur, Druck und Volumen beschrieben werden. In einem System im Gleichgewicht treten bei diesen Variablen keine Nettoänderungen auf.
- Thermodynamische Prozesse : Dies sind die Umwandlungen, die ein System aufgrund der Wechselwirkung mit der Umgebung erfährt, wie Ausdehnung, Kompression und Wärmeübertragung.
- Gesetze der Thermodynamik : Systeme gehorchen grundlegenden Prinzipien wie der Energieerhaltung und der Tendenz zum Gleichgewicht.