Adiabatische Zustandsänderung
Eine adiabatische (auch: adiabate; griech. ? [a] ? nicht, ?????????? [diabaínein] ? hindurchgehen) Zustandsänderung ist ein thermodynamischer Vorgang, bei dem ein System von einem Zustand in einen anderen überführt wird, ohne Wärmeenergie mit seiner Umgebung auszutauschen.Bedeutung
Im Allgemeinen kann ein thermodynamisches_System seine innere Energie verändern, indem es sowohl (mechanische oder anders geartete) Arbeit als auch Wärme mit seiner Umgebung austauscht. Nach dem ersten_Hauptsatz der Thermodynamik gilt dabei, wenn äußere Energien (kinetische und potentielle) außer Betracht bleiben können:
Bei einer adiabatischen Zustandsänderung findet kein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt (), so dass die gesamte am System verrichtete Arbeit vollständig in die innere Energie übergeht oder ein Teil der inneren Energie vollständig in Arbeit umgewandelt wird, die vom System geleistet wird:
Erster Hauptsatz für eine adiabatische Zustandsänderung in einem geschlossenen System
Berechnungen und theoretische Überlegungen können dadurch stark vereinfacht oder unter Umständen erst ermöglicht werden.
Es sind sowohl irreversibel als auch reversibel ablaufende adiabatische Zustandsänderungen möglich. Im ersteren Fall wird im System während des Vorgangs Entropie erzeugt, im letzteren Fall nicht. Weil keine Wärmeenergie mit der Umgebung ausgetauscht wird, fließt auch keine Entropie zu oder ab. Ist die Zustandsänderung reversibel, so bleibt die Entropie des Systems daher gleich, es handelt sich dann um eine isentrope_Zustandsänderung. (Das Umgekehrte gilt nicht: eine isentrope Zustandsänderung kann auch irreversibel und diabatisch sein, wenn exakt die erzeugte Entropie nach aussen abfließt).
Reversible adiabatische Zustandsänderungen spielen beispielsweise eine wichtige Rolle bei der axiomatischen Begründung der Thermodynamik nach Carathéodory. Ausgehend von dem Axiom ?Es gibt in der Nähe jedes reversibel erreichbaren Zustandes Zustände, welche nicht adiabatisch-reversibel, also nur irreversibel oder überhaupt nicht erreichbar sind?A. Sommerfeld: Vorlesungen über Theoretische Physik, Bd. V: Thermodynamik und Statistik. Nachdruck Harri Deutsch, Thun 1988, S. 31 wird die Existenz einer neuen Zustandsgröße Entropie bewiesen. Zustände, zwischen denen nur irreversible Übergänge möglich sind, unterscheiden sich nämlich in ihrer Entropie, so dass kein adiabatisch-reversibler (also isentroper) Übergang zwischen ihnen existieren kann.
Näherungsweise Realisierung
Eine ideale adiabatische Zustandsänderung setzt voraus, dass das System, in dem die Zustandsänderung stattfindet, perfekt gegen Wärmeströme jeglicher Form isoliert ist. Es wären also Wärmeleitung, konvektive_Wärmeübertragung und Strahlungsaustausch vollständig zu unterbinden. Das System darf von einem Wärmestrom durchflossen werden, sofern keine Wärme daraus im System verbleibt; der Wärmstrom kann dann als nicht zum System gehörig betrachtet werden (Beispiele: ein völlig transparentes von der Sonne beschienenes System, ein von nicht wechselwirkenden Neutrinos durchflutetes System).
In der Realität ist eine vollständige Wärmeisolation nicht erreichbar, aber reale Vorgänge können in guter Näherung adiabatisch ablaufen, wenn
*sie in einem gut isolierten Behälter stattfinden (z.B. chemische Reaktionen in einem adiabatischen Kalorimeter),
*wenn die Zustandsänderung so schnell verläuft, dass in der kurzen Zeit wenig Wärme zu- oder abfließen kann (z.B. in einem Verbrennungsmotor) oder
*wenn das Volumen des Systems sehr groß ist, so dass Wärmeströme an seinem Rand praktisch keine Rolle spielen (z.B. bei thermisch aufsteigenden Luftpaketen).
In der Realität handelt es sich praktisch immer um zumindest partiell diabatische Prozesse, so dass man nur noch näherungsweise von einer adiabatischen Zustandsänderung ausgehen kann.
Beispiele
*Die Kompression der Luft in einer Fahrradpumpe ist eine adiabatische Zustandsänderung. Wenn die Kompression mit genügend hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird, ist eine deutliche Temperaturerhöhung spürbar. Die Arbeit, die an der Pumpe verrichtet wird, erhöht direkt die innere Energie und damit die Temperatur des Luftgemisches. Dabei wird zuerst keine Wärmeenergie an die Pumpe abgegeben bzw. von ihr aufgenommen. Erst nach Vollendung des Prozesses merkt man eine Erwärmung der Fahrradpumpe und damit einen Fluss der Wärmeenergie. Ein pneumatisches_Feuerzeug nutzt dieses Verfahren.*Die Bildung von Wolken. Durch eine adiabatische Expansion der Luft kühlt sich die Luft und damit auch der in ihr enthaltene Wasserdampf ab. Der Wasserdampf kondensiert dabei zu kleinen Wassertröpfchen.
Arbeit bei einer reversiblen adiabaten (isentropen) Zustandsänderung eines idealen Gases
Im Falle eines idealen_Gases gilt für die innere Energie:
:
Wegen folgt:
:
Siehe auch
• Maschine]
• Zustandsänderung]
• Zustandsänderung]
• Zustandsänderung]
• Zustandsänderung]
• Carnot-Prozess
Weblinks
*[http://www.webgeo.de/beispiele/rahmen.php?string=1;k_230;1 Lern-Modul zu adiabatischen Prozessen in der Atmosphäre
