Thermodynamische Zustandsänderung: Was ist isobar, isochor, isoterm, adiabat?
Betrachten wir ein System mit einem idealen Gas drin. Der Zustand des Gases, genauer gesagt, seine Temperatur \( T \), sein Druck \( \Pi \) und sein Volumen \(V\) werden durch die ideale Gasgleichung beschrieben:
Hierbei ist \(n\) die Stoffmenge und beschreibt indirekt die Anzahl der Gasteilchen und \( R \) ist die Gaskonstante.
Dabei bezeichnen wir die Temperatur, den Druck und das Volumen als Zustandsgrößen - sie beschreiben den makroskopischen Zustand des Gases.
Wenn wir das Gas erhitzen und somit seine Temperatur erhöhen, sprechen wir von einer Zustandsänderung. Ebenso könnten wir das Gas zusammenpressen, den Druck erhöhen und das Volumen verringern - das wäre ebenfalls eine Zustandsänderung. Die Zustandsänderung kann dabei isobar, isotherm, isochor oder adiabat sein.
Bei einer isobaren Zustandsänderung bleibt der Druck \( \Pi \) des Gases konstant. Damit sind \( \Pi \), \(n\) und \(R\) im Gasgesetz reine Konstanten und das Volumen \( V \) ist proportional zur Temperatur \( T \). Im Druck-Volumen-Diagramm ergibt sich für ein isobar verhaltendes Gas eine horizontale Gerade. Die Änderung des Volumens führt nicht zu einer Veränderung des Gasdrucks.
Bei einer isochoren Zustandsänderung bleibt das Volumen \( V \) des Gases konstant. Dann sind \(n\), \(R\) und \(V\) Konstanten im Gasgesetz 1
, und der Druck \(\Pi\) ist proportional zur Temperatur \(T\). Im Druck-Volumen-Diagramm ergibt sich für ein isochor verhaltendes Gas eine vertikale Gerade. Die Änderung des Gasdrucks führt nicht zu einer Veränderung des Volumens.
Bei einer isothermen Zustandsänderung bleibt die Temperatur \( T \) des Gases konstant. Damit ist der Druck proportional zum inversen Volumen: \( \Pi \sim \frac{1}{V} \). Im Druck-Volumen-Diagramm ergibt sich für ein isotherm verhaltendes Gas eine abfallende Kurve. Die Erhöhung des Volumens des Gases führt zu einer Verringerung des Gasdrucks.
Bei einer adiabatischen Zustandsänderung wird keine thermische Energie VOM und IN das System transportiert. Bei dieser Zustandsänderung kann sich die Temperatur, Volumen und Druck des Gases gleichzeitig ändern. Im Druck-Volumen-Diagramm ergibt sich für ein adiabatisch verhaltendes Gas ein Potenzgesetz. Der Exponent \( \gamma \) wird dabei als Adiabatenexponent bezeichnet.