Ist die innere Energie U abhängig vom Druck und Volumen?

2 Antworten

Vom Fragesteller als hilfreich ausgezeichnet

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik lautet:



Aus diesem Zusammenhang sehen wir, dass beispielsweise eine isotherme Verdichtung, bei der keine Änderung der inneren Energie passiert, nicht ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung möglich ist. Wenn dU = 0 ist und Volumenänderungsarbeit geleistet wird, muss Wärme über die Systemgrenze treten, denn pdV ungleich null und damit dU = 0 nicht mehr erfüllt wäre.

Fragesteller794 
Fragesteller
 07.02.2024, 17:43

Wenn ich das Volumen von einem abgeschlossenen System erhöhe, steigt also immer die innere Energie dieses Systems?

Warum? Wenn ich ein Gas in einem unglaublich großen System habe und dieses dann noch weiter erhöhe hat das praktisch keine Auswirkungen auf die Teilchen in dem System.

Dabei gehe ich natürlich von einem System mit nahezu vakuumartigen Druck aus, was völlig unrealistisch ist, aber thermodynamische Gesetze sollten doch immer gelten, oder nicht?

0
KuarThePirat  07.02.2024, 17:50
@Fragesteller794

Nein, bei idealen Gasen steigt die innere Energie nicht. Bei realen Gasen verändert sich die innere Energie allerdings schon, da es intermolekulare Wechselwirkungen gibt. Beim realen Gas muss beim Ausdehnen Volumenänderungsarbeit geleistet werden.

0
Fragesteller794 
Fragesteller
 07.02.2024, 18:03

Du redest die ganze Zeit von Volumenänderungsarbeit, aber wie ich schon im ersten Satz meiner Frage gesagt habe, geht es mir nicht um Volumenänderungsarbeit.

Viel mehr um die Frage, ob die Position der Systemgrenzen einen Einfluss auf die innere Energie haben. Ich habe schon als Beispiel ein Gedankenexperiment gebracht, bei dem sich die Größe des Systems mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ohne Arbeit gegen einen Innendruck verkleinern lässt. Das ist natürlich unrealistisch bzw. unwahrscheinlich, aber möglich, wenn es nur wenige Kubikpikometer sind.

0
KuarThePirat  07.02.2024, 18:15
@Fragesteller794

Beim realen Gas haben die Systemgrenzen einen Einfluss, weil Volumenänderungsarbeit geleistet werden muss um die Systemgrenzen zu verschieben. Beim idealen Gas haben sie das nicht.

0

Die Innere (spezifische) Energie ist ausschließlich eine Funktion der Temperatur. Sie hat nichts mit Druck und Volumen zu tun.

Danach leistet man am System isotherme Volumenarbeit

Damit T konstant bleibt, muss exakt so viel Wärme abgeführt werden, wie an Volumenänderungsarbeit zugeführt wird. Damit bleibt auch u konstant. #

da ja keine Energie mit der Umgebung ausgetauscht wurde

Das geht nicht. Ohne Austausch von Wärme ist eine isotherme Verdichtung nicht möglich.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Habe Thermodynamik im Hauptfach studiert.
KuarThePirat  07.02.2024, 16:54

Du solltest vielleicht ergänzen, dass deine erste Aussage nur auf ideale Gase mit konstanter Teilchenzahl zutrifft.

0
Hamburger02  07.02.2024, 17:05
@KuarThePirat

Dass wir über geschlossene Systeme reden, steht in der Frage und auch bei realen Gasen ist die innere Energie eine Funktion der Temperatur, wenn auch nicht unbedingt eine lineare.

0
KuarThePirat  07.02.2024, 17:08
@Hamburger02

Aber eben nicht nur von der Temperatur, auch vom Volumen (dU/dV_m) bei konst T ergibt sich zu a/V_m^2 in der vdW-Zustandsgleichung, da eben die Kohäsionskräfte zur Energie beitragen.

0
Fragesteller794 
Fragesteller
 07.02.2024, 17:44

Der Satz "da ja keine Energie mit der Umgebung ausgetauscht wurde" hat auch ein Ende: "seit der Volumenarbeit konstant geblieben ist".

Tut mir leid, wenn ich das in der Fragestellung nicht klar rüberbringe, aber ich rede von der inneren Energie eines allgemeinen geschlossenen Systems, nicht nur von Gasen. Angenommen, die innere Energie ist allgemeingültig nicht von Druck und Volumen abhängig, dann folgt daraus, dass sie auch nichts mit potenzieller Energie (chemischer und elektrischer Energie) zu tun hat. Ist das korrekt? Dann würde endlich alles Sinn machen.

0
Fragesteller794 
Fragesteller
 07.02.2024, 17:53

Noch eine Frage: Wenn ich ein abgeschlossenes System hätte, in dem ein elektrisches Gerät vorhanden ist, dass elektrische Ladung nutzt, um Wärme zu erzeugen, dann bricht das doch den 1. Hauptsatz der Thermodynamik, da sich die innere Energie nun ändert. Ich meine, gelesen zu haben, dass man immer annimmt, dass ein System im thermodynamischen Gleichgewicht vorliegt, die Entropie also maximal ist. Das wäre hier natürlich nicht der Fall. Ist das ebenfalls korrekt?

0
Hamburger02  07.02.2024, 18:56
@Fragesteller794
dann bricht das doch den 1. Hauptsatz der Thermodynamik, da sich die innere Energie nun ändert.

Nein:

dU = Q + W

Wenn man Wärme zuführt, ändert sich die innere Energie und damit acuh die Temperatur. Dann stellt sich ein neues Gleichgewicht mit einem anderen Zustand ein.

Wärme ist der Träger der Entropie schlechthin. Sobald man Wärme zuführt, führt man auch Entropie zu und die Entropie des Systems nimmt zu. Sobald sich das neue thermodynamische Gleichgewicht eingestellt hat, hat das System die maximale Entropie bezüglich der vorhandenen Zustandsgrößen erreicht. Dann passiert nichts mehr.

0
Fragesteller794 
Fragesteller
 07.02.2024, 19:43
@Hamburger02

"Wenn ich ein abgeschlossenes System hätte, in dem ein elektrisches Gerät vorhanden ist ..."

Hier wird potentielle elektrische Energie in Wärmeenergie innerhalb des geschlossenen Systems umgewandelt. Laut der Wikipedia Seite kann man das Konzept der inneren Energie aber nur anwenden, wenn das System im thermodynamischen Gleichgewicht ist (= Entropie max). Von daher ergibt sich kein Widerspruch, hab ich das soweit richtig verstanden?

0
Hamburger02  07.02.2024, 21:55
@Fragesteller794

In der klassischen Thermodynamik geht man von quasistatischen Zustandsänderungen aus. Das bedeutet, dass das System eigentlich nie die Nähe des thermodynamischen Gleichgewichtes verlässt, sondern dass die Gleichgewichtsbildung schnell genug dem Prozess folgen kann, sodass man dynamische Vorgänge vernachlässigen kann.

Elektrische Energie ist übrigens keine potenzielle Enegie, sondern eine eigene Energiekategorie.

Sobald dynamische Vorgänge ausschlaggebend werden, verlassen wir die klassische lineare Thermofdynamik und betreten das relativ neue Gebiet der nichtlinearen Thermodynamik.

0