42 System und Zustand

2.1 System, Systemgrenze, Systemeigenschaften

Um Maschinen, Anlagen oder einzelne Bereiche daraus zu untersuchen, ist es zweckmäßig, sich von einer detaillierten Betrachtung zu lösen. Zur besseren Übersicht wird eine idealisierte, vereinfachte Form eingeführt. Diese vereinfachten Systeme werden zur Kennzeichnung der örtlichen oder stofflichen Ausdehnung durch Systemgrenzen gegenüber der Umgebung eingegrenzt. Die Thermodynamik verwendet zwei Grundtypen von Systemen.

2.1.1 Systeme

Das offene System

Systeme, die mit Materie durchflossen werden, z. B. ein Wärmeaustauscher (Abb. 2.1), nennt man offene Systeme.

Abb. 2.1: Wärmeaustauscher (Rekuperator)

Gase und Flüssigkeiten werden unter dem Begriff Fluide zusammengefasst. Die Systemgrenze, die um ein offenes System gesetzt wird, ist in der Regel ortsfest. Das Innere des Systems ist meist nicht von Interesse. Lediglich an den Systemgrenzen werden Energiebilanzen erstellt. Man spricht deshalb auch von einem Bilanz- oder Kontrollraum. Das Ersatzbild für den Wärmeaustauscher aus Abb. 2.1, z. B. ein Wasser/Öl-Kühler, wird wie folgt skizziert (Abb. 2.2).

5Abb. 2.2: Ersatzbild Wasser/Öl-Kühler

Das geschlossene System

Systeme, die eine materieundurchlässige Systemgrenze haben, nennt man geschlossene Systeme. Das bedeutet, die Anzahl der im geschlossenen System vorhandenen Atome oder Moleküle ist immer konstant. Die Systemgrenzen sind verschiebbar. Ein geschlossenes System liegt z. B. beim Kompressionstakt eines 4-Takt-Verbrennungsmotors vor. Die Ventile sind geschlossen und der Kolben komprimiert das eingeschlossene Gas. Das Gas stellt das geschlossene System dar (Abb. 2.3).

Abb. 2.3: Zylinder mit beweglichen Kolben

2.1.2 Systemeigenschaften

Den beiden Systemen werden nun bestimmte Eigenschaften zugeordnet. Genauer gesagt, es wird definiert, welche Durchlässigkeit die Systemgrenzen haben. Der Energieinhalt eines Systems kann durch Wärmeaustausch oder durch Einwirkung von Arbeit verändert werden.

6Ein System, das an den Systemgrenzen keinerlei Wärmeaustausch zulässt, nennt man ein adiabates System. Das Gegenteil einer adiabaten Systemgrenze ist eine diatherme Wand.

Ein ideal isoliertes Rohr, das durchflossen wird, stellt also ein „adiabates offenes System“ dar. Ein adiabates System lässt aber die Einwirkung von Arbeit zu. Abb. 2.4 zeigt einen ideal isolierten Zylinder mit einem verschiebbaren Kolben, der ebenfalls ideal isoliert ist. Es liegt hier ein „geschlossenes adiabates System“ vor.

Abb. 2.4: Geschlossenes adiabates System

Üblicherweise wird nur die Systemgrenzeigenschaft „wärmeundurchlässig“ gekennzeichnet. Es ist aber auch denkbar, dass über die Systemgrenzen zwar Wärme, aber keine Arbeit einwirken kann. In diesem Fall spricht man von einem „rigiden System“.

Ein geschlossenes, adiabates und rigides System bezeichnet man als „abgeschlossenes System“. Es wird gebraucht, wenn Wechselwirkungen im System ohne jeglichen Einfluss der Umgebung betrachtet werden sollen.

Eine weitere Systemeigenschaft beschreiben die Ausdrücke homogen und heterogen. Sind in einem System die Stoffeigenschaften an jeder Stelle im System gleich, so spricht man von einem „homogenen System“. Das Gegenteil davon ist ein „heterogenes System“. Heterogene Systeme sind mathematisch nicht oder nur mit großem Aufwand beschreibbar und daher nicht für unsere Untersuchungen geeignet. Ein 7Grenzfall, bezüglich der Beschreibbarkeit, zwischen einem homogenen und einem heterogenen System ist das „kontinuierliche System“. Hier verändern sich die Stoffgrößen oder Stoffeigenschaften kontinuierlich mit einer Koordinate oder über die Zeit.

Abb. 2.5: Homogenes, heterogenes, kontinuierliches System

Ein Behälter, der mit einem Gas gefüllt ist, das sich im Ruhezustand befindet, kann als Beispiel für ein homogenes System genannt werden. Bereiche, die in ihren physikalischen und chemischen Größen homogen sind, bezeichnen wir als Phase. Enthält z. B. ein Behälter eine gasförmige und eine flüssige Phase, so sprechen wir von einem Mehrphasensystem.

Ein Beispiel für ein heterogenes System ist ein Zylinder, dessen Boden mit siedendem Wasser bedeckt ist. Darüber befindet sich Wasserdampf mit schwebenden Wassertropfen, an den Wänden kondensiert Wasserdampf und bildet neue Tropfen.

Ein Behälter, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, stellt z. B. ein kontinuierliches System dar. Die Größe Druck ändert sich „kontinuierlich“ mit der Füllhöhe. In jeder Höhe z lässt sich der Druck p mit p=ρ⋅g⋅z+pamb berechnen (Abb. 2.5).

8Kontrollfragen

Ordnen Sie folgende Systeme ein und geben Sie die Systemeigenschaften an:

1. Eine perfekte Thermoskanne, die bis zum Deckel mit Flüssigkeit gefüllt ist

2. Eine Sauerstoffflasche ohne Gasentnahme

3. Ein Kochtopf mit dichtem Deckel, gefüllt mit kaltem Wasser

4. Ein Kochtopf mit dichtem Deckel, teilweise gefüllt mit kochendem Wasser

5. Ein Kochtopf ohne Deckel mit kochendem Wasser

6. Ein mit inkompressiblen Fluid durchflossenes Rohr mit perfekter Isolierung

7. Ein Gasbehälter mit perfekt isolierten, ortsfesten Wänden, die keinerlei Möglichkeiten zulassen um Arbeit an dem System zu leisten.

8. Das Innenrohr des Wärmeaustauschers (Abb. 2.1, Rekuperator)

Nennen Sie ein Beispiel für ein rigides, diathermes, geschlossenes und homogenes System

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2.2 Zustand und Zustandsgrößen

2.2.1 Zustand und Prozess

Der energetische Inhalt eines Systems lässt sich mit physikalisch messbaren Eigenschaften wie Druck, Temperatur, Geschwindigkeit usw. beschreiben. Dabei sind diese Eigenschaften variabel, d. h. der gleiche Energieinhalt kann z. B. durch verschiedene Anteile an kinetischer oder potentieller Energie in einem System vorhanden sein. Nehmen diese physikalischen Größen feste Werte...