Was ist ein physikalisches System?
Als (thermodynamisches) System wird in der Physik ein abgegrenzter Bereich bezeichnet, wobei das Ziehen von Systemgrenzen nicht immer einfach ist. Je nach Art der Abgrenzung wird von offenen und geschlossenen bzw. abgeschlossenen Systemen gesprochen.
Bei offenen Systemen findet sowohl Energie- als auch Stoffaustausch statt. Ein anschauliches Beispiel für ein offenes physikalisches System ist der offene Topf mit kochendem Wasser.
Bei einem geschlossenen System findet ein Energieaustausch statt, aber kein Stoffaustausch. Ein Beispiel dafür ist ein Zylinder eines Stirlingmotors.
Bei abgeschlossenen Systemen finden weder Energie- noch Stoffaustausch statt. Dabei handelt es sich allerdings um vereinfachte „Idealmodelle“, welche in der Natur nicht vorkommen. Ein Beispiel dafür ist ein isoliertes, abgeschlossenes Gefäß. Die Gesamtenergie bleibt gleich (Energieerhaltungsgesetz).
Energie kann auch als Zustandsgröße eines physikalischen Systems definiert werden, das heißt, man kann durch sie ein physikalisches System beschreiben. Mathematisch beschreiben kann man ein System durch sogenannte Zustandsgleichungen.
Unter dem Zustand eines physikalischen Systems ist der innere Zustand eines Systems zu verstehen. Charakterisiert wird dieser durch Zustandsgrößen wie die (innere) Energie, wobei extensive und intensive Zustandsgrößen unterschieden werden.
Extensive Zustandsgrößen sind unter anderem das Volumen, die Stoffmenge, die Masse, die innere Energie, Enthalpie (Wärmeinhalt) und Entropie. Diese Zustandsgrößen bleiben konstant, wenn sich ein System im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Wird aber einem System beispielsweise Wärme zugeführt, so erhöht sich die innere Energie.
Intensive Zustandsgrößen sind systeminterne Größen wie Temperatur oder Druck. Das charakteristische an den intensiven Zustandsgrößen – im Gegensatz zu den extensiven – ist, dass sie von der Größe eines Systems unabhängig sind.
Wenn sich in einem physikalischen System etwas ändert, dann spricht man von einem thermodynamischen Prozess. Beschrieben werden kann ein Prozess durch sogenannte Prozessgrößen: Wärme und Arbeit. Arbeit kann beispielsweise in Form von mechanischer Arbeit oder Volumenarbeit verrichtet werden.
Physikalische Systeme und energiewandelnde Prozesse sind vor allem dann von Interesse, wenn es um die Frage geht, Energie zu nutzen.
Energie kann auch als jene Menge an Arbeit bezeichnet werden, die ein System verrichten kann. Jener Teil der Energie, der in eine andere Energieform umwandelbar ist, der Arbeit verrichten kann, wird Exergie genannt. Wesentlich ist: Wie groß der Anteil der Exergie ist, hängt vom Zustand eines Systems und von dessen Umgebung ab.
Die Anergie hingegen ist die „nicht arbeitsfähige Energie“. Wichtig: Sie kann nicht in Exergie umgewandelt werden.
Mit den Begriffen Exergie und Anergie können die ersten beiden Hauptsätze der Thermodynamik beschrieben werden
Science Slam – Eine Einführung in Exergie & Anergie:
Exergie wird auch als der „nützliche“ Teil der Energie bezeichnet. Elektrische Energie ist reine Exergie und daher eine hochwertige Energieform. Die Exergie ist daher für die Bewertung der „Qualität“ von Energieformen wesentlich.
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