Wärme ist eine Prozessgröße, Energie ist eine Zustandsgröße?
Erläutern Sie den Unterschied am Beispiel eines Speichers für warmes Wasser.
5 Antworten
Wärme ist Energie, und damit wäre nach der Aussage Wärme sowohl Zustands- als auch Prozessgröße. Das stimmt natürlich so nicht.
Zustandsgrößen werden benutzt, um den Zustand von Materie zu beschreiben. Das geht zum Beispiel mit Druck, spez. Volumen, Temperatur, Enthalpie oder innerer Energie.
Prozessgrößen hingegen werden verwendet, um Prozesse (und dadurch oftmals Flüsse über Systemgrenzen) zu beschreiben. Nennenswerte Vertreter wären hier Wärme, Arbeit oder Volumenströme.
Wärme ist eine Prozessgröße, Energie ist eine Zustandsgröße?
So gestellt ist die Frage unsinnig. Energie ist der Oberbegriff, der alle Energien umfasst, egal ob sie als Zustand oder als Prozess auftreten.
Korrekt müsste die Aussage lauten:
Wärme ist eine Prozessgröße, innere Energie ist eine Zustandsgröße.
Letztlich lässt sich die Frage nur beantworten, wenn man die Definition von innerer Energie und von Wärme genau beachtet (gem. dem Standardwerk schlechthin, das auch praktisch allen Lehrbüchern zugrunde liegt und selbst von Nobelpreisträgern zitiert wird: H. D. Baehr "Thermodynamik"):
Jedes geschlossenen System besitzt eine Zustandsgröße U, die innnere Energie, mit folgenden Eigenschaften:
1) Bei adiabaten Prozessen ist dieZunahme der inneren Energie gelich der System zugeführten Arbeit.
W12 (adiabat) = U2 - U1 (Definition der inneren Energie)
2) Bei nichtadiabaten Prozessen ist die dem system zugeführte Wärme Q12 und als Arbeit W12 zugeführte Energie gleich der Zunahme seiner inneren Energie,
Q12 + W12 = U2 - U1.
(Baehr, 3. Aufl., S. 61)
Die innnere Energie, also die Energie, die ein System aufgrund seiner Temperatur besitzt, ist von vornherein als Zustandsgöße definiert. Die innere Energie beschreibt eine Eigenschaft eines Systems und ist daher eine Zustandsgröße. Die innere Energie als Zustandsgröße des Wasserspeichers drückt sich darin aus, dass das Wasser darin warm ist und warm bleibt, solange kein Prozess vorgeht.
Wärme ist definiert als (ebda, S. 60):
Wärme ist also Energie, die an der Grenze zwischen zwei Systemen verschiedenere Temperatur auftritt und die alleine aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen den Systemen übertragen wird, wenn diese über eine diatherme (= wärmedurchlässig) Wand in Wechselwirkung stehen.
Die Wärme fließt, wenn das Wasser erwärmt wird und die Heizspirale eine höhere Temperatur hat als das Wasser. "Fließen" beschreibt einen Vorgang und was in der Alltagssprache ein Vorgang ist, wird in der Thermodynamik "Prozess" genannt.
Hier sei noch darauf hingewiesen, dass nicht selten, selbst bei Physiklehrern, die innere Energie auch schon mal als "Wärmegehalt" bezeichnet wird. Das ist aber nicht korrekt, weil dann plötzlich aus der Prozessgröße Wärme eine Zustandsgröße wird.
Der Wärmespeicher (z.B. eine Tasse heißer Kaffee) hat thermische Energie, das ist eine Zustand.
Der Kaffee ist heißer als die umgebende Luft, es besteht ein Temperaturunterschied. Damit wird jetzt Energie von der Tasse an die Luft abgegeben. Die Energie wandert also vom Kaffee in die Luft. Diese Energie auf Wanderschaft heißt Wärme, das ist ein Prozeß, es passiert etwas. Der Kaffee wird kälter, die Luft wird wärmer.
Eine Zustandsgröße ist in der Regel immer eine Größe die eine Form der Energie Speicherung beschreibt.
Füllstand
Wärme
Trägheit
usw.
Übergeordnet ja, wird immer irgendwo Energie drinstecken wenn du von Zustandsgrößen sprichst.
gerade "Wärme" ist aber keine thermodynamische Zustandsgröße. Genau darauf wollte der Fragesteller aber hinaus.
Um Wasser zu erwärmen musst du Wärme als Prozessgröße zuführen.
Diese steckt dann in der inneren Energie, was eine Zustandsgröße ist.
Die Zustandsgrößen beschreiben die jeweiligen Zustände, unabhängig davon wie man von einem Zustand in den anderen Zustand übergegangen ist.
Prozessgrößen sind dagegen Größen, die davon abhängig sind, wie man von einem Zustand in den anderen Zustand übergegangen ist.
Mir ist einigermaßen bewusst was eine Prozessgröße / Zustandgröße ist. Aber ich kann den Unterschied anhand eines Speichers für warmes Wasser nicht erklären. Das ist aber die Aufgabe.