Homogener Stoff
Modell
Der homogene Stoff ist der eigentliche Modellkörper der Thermodynamik. Der Zustand eines homogenen Stoffes ist durch seinen Druck und seine Temperatur (Zustandsdiagramm) vollständig beschrieben. Der Stoff kann flüssig oder gasförmig sein. Liegt der Zustand auf der Dampfdruckkurve, koexistieren beide Aggregatszustände. Da sowohl der Druck als auch die Temperatur zu jedem Zeitpunkt überall gleich sind, breitet sich der Schall undendlich schnell durch den Körper aus und die Wärmeleitfähigkeit des Stoffes ist beliebig gross. Das Modell des homogenen Stoffes kann also nur dann verwendet werden, wenn die Vorgänge so langsam ablaufen, dass die Ausbreitung der Wärme und des Schalls im Innern des Körpers keine Rolle mehr spielen.
Der Zustand des homogenen Stoffes kann auf zwei Arten verändert werden, durch heizen und kühlen oder durch komprimieren und entspannen. Um diese Prozesse kontrolliert ablaufen zu lassen, gehen wir von folgender Anordnung aus. Der Stoff befinde sich in einem Zylinder, der mit einem Kolben verschlossen ist. Der Zylinderboden sei ideal wärmedurchlässig (diatherm), besitze aber selber keine Wärmekapazität. Die Zylinderwände und der Kolben sind absolut wärmeisoliert (adiabatisch). Der reibunsfrei verschiebbare Kolben schliesst den Stoff hermetisch gegen eine inkompressible Flüssigkeit ab. Der Druck in der Flüssigkeit und im homogenen Stoff sind somit immer gleich gross.
Das Systeme homogener Stoff besitzt eine direkte thermische und eine indirekte hydraulische Verbindung zur Umgebung. Es kann deshalb mit der Umgebung Energie in Form von Wärme und Arbeit austauschen.
Bilanz
Der homogene Stoff kann über zwei Verbindungen (Portale oder Konnektoren) Entropie und Volumen mit der Umgebung austauschen. Weil der Stoff homogen ist und die Verbindungen ideal sind, wird innerhalb des Systems keine Entropie produziert. Folglich kann die Entropiebilanz und die Volumenbilanz in einfachster Form hingeschrieben werden
Entropiebilanz:[math]I_S = \dot S[/math]
Volumenbilanz:[math]I_V = \dot V_{Fluid} = -\dot V[/math]
Die Energie des Systems kann mit Hilfe des zugeordneten Energiestromes als Funktion der beiden Primärgrössen Volumen und Entropie geschrieben werden.
[math]\dot W = I_W_{therm} + I_W_{mech} = T I_S + p I_V = T \dot S - p \dot V[/math]
Die Gleichsetzung der Temperatur im thermischen Portal mit dem Wert im Stoff sowie des Drucks in der Flüssigkeit mit dem des Stoffs ist nur unter diesen idealisierten Bedingungung möglich. Die Formulierung, wonach die Änderung der Energie nur von den vier Grössen Temperatur, Entropie, Volumen und Druck abhängt, verbietet eine Entropieproduktion im Stoff selber.
Prozess
Der homogene Stoff kann vier einfach zu realisierende Prozesse durchlaufen. In zwei Prozessen ist je ein Portal geschlossen, in den zwei andern ist das Portal hemmungslos mit der Umwelt verbunden, so dass innen und aussen der gleiche Druck bzw. die gleiche Temperatur herrscht.
| Prozess | Beschreibung | thermisches Portal | hydraulisches Portal |
|---|---|---|---|
| isochor | V =konst | aktiv | geschlossen |
| isobar | p =konst | aktiv | direkt verbunden |
| isentrop | S =konst | geschlossen | aktiv |
| isotherm | T =konst | direkt verbunden | aktiv |