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Thermodynamische Begriffe

Thermodynamisches System

Eine begrenzte Stoffmenge, mit der wir unsere Beobachtungen anstellen und deren Wechselwirkungen mit der Umgebung beobachtbar ist, nennen wir ein System. Die Einteilung von Systemen erfolgt nach vier Kriterien:

Zahl der Phasen

Innerhalb einer Phase dürfen sich Zustandsgrößen nur stetig (d.h. nicht sprunghaft) ändern.

Phasenübergänge zwischen den Phasen fest, flüssig und gasförmig sind diskontinuierlich, d.h. die Zustandsfunktionen sind nicht stetig.

Liegt nur eine Phase vor, so bezeichnet man das System als homogen, mit mehreren Phasen als heterogen. Eine Mischung aus Gasen kann nur homogen sein. Werden mehrere Flüssigkeiten miteinander gemischt, so kann das System je nach Mischbarkeit der Flüssigkeiten homogen oder heterogen sein.

Zahl der Komponenten

Komponenten sind alle chemischen Stoffe, die nötig sind, um die Zusammensetzung eines Systems eindeutig zu beschreiben.

Zahl der Freiheitsgrade

Die Zahl der Freiheitsgrade ist die Zahl der Zustandsgrößen, die mindestens nötig ist, um den Zustand eines Systems festzulegen. Es ist gleichzeitig die größte Zahl von Zustandsgrößen, die geändert werden kann, ohne dass sich die Zahl der Phasen ändert. Die Zahl der Freiheitsgrade F eines Systems mit einer bestimmten Zahl von Phasen P und Komponenten K lässt sich aus der Gibbs'schen Phasenregel berechnen:

F + P = K + 2

Beispielsweise kann man in einem Einkomponentensystem, das bei konstanter Temperatur und konstantem Druck aus den drei Phasen Eis, Wasser und Wasserdampf besteht, keine Zustandsgröße ändern, ohne dass eine der Phasen verschwindet. Die Zahl der Freiheitsgrade ist also null.

Wechselwirkung mit der Umgebung

In einem offenen System kann mit der Umgebung sowohl Energie (in Form von Wärme oder Arbeit) als auch Materie ausgetauscht werden. In einem geschlossenen System ist der Energieaustausch, jedoch kein Materieaustausch möglich. In einem abgeschlossenen System ist weder Materie- noch Energieaustausch mit der Umgebung möglich.

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