Isolierte, geschlossene und offene Systeme
Thermodynamische Systeme werden danach eingeteilt, ob sie Energie, Materie oder beides mit ihrer Umgebung austauschen.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein System ist der betrachtete Ausschnitt der Welt; es wird nach dem Austausch von Energie und Materie mit der Umgebung eingeteilt.
- Ein isoliertes (abgeschlossenes) System tauscht nichts aus, seine innere Energie bleibt konstant (\(\Delta U = 0\)).
- Die Erde ist kein isoliertes System, denn sie nimmt Sonnenstrahlung auf und gibt Wärme ab.
- Ein geschlossenes System tauscht nur Energie aus, seine Entropie ist deshalb nicht zwingend konstant.
- Ein offenes System tauscht Energie und Materie jeden Aggregatzustands aus, etwa ein lebender Organismus.
Worum es geht
Die Thermodynamik beschreibt Energieumsätze immer für einen klar abgegrenzten Ausschnitt der Welt. Je nachdem, was dieser Ausschnitt mit seiner Umgebung austauscht, unterscheidet man drei Systemtypen. Die Einteilung ist die Grundlage der Hauptsätze und erklärt, warum lebende Organismen offene Systeme sind.
System und Umgebung
Ein System ist der Teil der Welt, den man gerade betrachtet, etwa ein Kolben mit Reaktionsgemisch. Alles außerhalb davon ist die Umgebung. Dazwischen liegt die Systemgrenze. Sie kann real sein, wie eine Glaswand, oder nur gedacht.
Über die Grenze können zwei Größen wandern: Energie in Form von Wärme oder Arbeit und Materie, also Stoff. Welche davon die Grenze passieren darf, legt den Systemtyp fest.
Diese Einteilung braucht man, um die Hauptsätze sauber zu formulieren. Der erste Hauptsatz bilanziert die Energie, die über die Grenze fließt. Der zweite Hauptsatz trifft Aussagen über die Entropie, und auch diese hängen davon ab, welcher Austausch möglich ist.
Isolierte Systeme
Ein isoliertes System, auch abgeschlossenes System genannt, tauscht mit seiner Umgebung weder Materie noch Energie aus. Seine Grenze ist für Stoff, Wärme und Arbeit undurchlässig.
Daraus folgt direkt: Die innere Energie \(U\) eines isolierten Systems bleibt konstant, es gilt \(\Delta U = 0\). Energie kann darin nur ihre Form wechseln, etwa von chemischer Energie in Wärme. Man kann sich das wie ein Konto vorstellen, auf das nichts eingezahlt und von dem nichts abgehoben wird. Innen darf umgebucht werden, der Kontostand bleibt gleich.
Streng isolierte Systeme gibt es nur als Idealisierung. Ein gut verschlossenes Dewar-Gefäß kommt dem für kurze Zeit nahe. Das Universum als Ganzes gilt als isoliert, weil es keine Umgebung hat.
Die Erde ist kein isoliertes System. Sie nimmt ständig Sonnenstrahlung auf und strahlt Wärme ins All ab.
Geschlossene und offene Systeme
Ein geschlossenes System tauscht mit der Umgebung nur Energie aus, aber keine Materie. Ein verschlossener Kolben ist das typische Beispiel. Man kann ihn heizen oder kühlen, die Stoffmenge darin bleibt aber gleich.
Weil Wärme die Grenze passieren kann, ist die Entropie eines geschlossenen Systems nicht zwingend konstant. Zugeführte Wärme erhöht sie, abgeführte Wärme kann sie senken. Konstant bleibt die Stoffmenge, nicht die Entropie.
Ein offenes System tauscht Energie und Materie mit der Umgebung aus. Ein offenes Becherglas mit heißem Wasser gibt Wärme und Wasserdampf ab. Der Materieaustausch ist an keinen Aggregatzustand gebunden. Gase zählen ebenso wie Flüssigkeiten und Feststoffe. Ein Durchflussreaktor nimmt zum Beispiel flüssige Edukte auf und gibt Produkte ab.
Lebende Organismen sind offene Systeme. Sie nehmen Nahrung, Wasser und Sauerstoff auf und geben Kohlendioxid, Wärme und Stoffwechselprodukte ab. Warum sie dabei in einem Fließgleichgewicht stehen, wird dort erklärt.
Die drei Systemtypen im Überblick:
| Systemtyp | Energieaustausch | Materieaustausch | Beispiel |
|---|---|---|---|
| offen | ja | ja | offenes Becherglas, Zelle |
| geschlossen | ja | nein | verschlossener Kolben |
| isoliert | nein | nein | ideales Dewar-Gefäß, Universum |
Von offen über geschlossen zu isoliert fällt je eine Austauschgröße weg: zuerst die Materie, dann die Energie.
Quiz
Aussage 1
Da ein geschlossenes System keine Materie austauscht, bleibt seine Entropie stets konstant.
Ein geschlossenes System tauscht Energie, etwa Wärme, aus. Dadurch kann sich seine Entropie ändern. Konstant bleibt nur die Stoffmenge.
Aussage 2
In einem isolierten System bleibt die innere Energie konstant.
Weder Energie noch Materie überschreiten die Grenze. Energie kann nur ihre Form wechseln, daher gilt \(\Delta U = 0\).
Aussage 3
Ein offenes System kann auch Flüssigkeiten und Feststoffe mit seiner Umgebung austauschen.
Der Materieaustausch offener Systeme ist an keinen Aggregatzustand gebunden und umfasst nicht nur Gase.
Aussage 4
Die Erde kann thermodynamisch als isoliertes System betrachtet werden.
Die Erde nimmt Sonnenstrahlung auf und strahlt Wärme ab. Sie tauscht also Energie aus und ist kein isoliertes System.
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