Nachgedacht I. Zur Volumenarbeit bei quasistatischer und nichtquasistatischer Prozessführung (ePub)

Wissenschaftlicher Aufsatz aus dem Jahr 2016 im Fachbereich Physik - Sonstiges, , Sprache: Deutsch, Abstract: Unter dem Label "Nachgedacht" beschreiben wir im ersten Teil die Ableitung der Differentialansätze für die Volumenarbeit. Volumenarbeit verrichtet ein Gas an der Umgebung, wenn es sich gegen einen äußeren Druck ausdehnt. Die Umgebung verrichtet am Gas Volumenarbeit, wenn es dieses komprimiert.

Indem wir die Differentialansätze für die Volumenarbeit aus dem Skalarprodukt von Kraft und Verschiebung nach einem allgemein gültigen, didaktisch vorteilhaften Algorithmus ableiten, zeigen wir, dass für die Ableitung sowohl die äußeren Kräfte als völlig gleichberechtigt die vom Gas ausgehenden systemimmanenten Kräfte verwendet werden können. Bei Verwendung der systemimmanenten Kräfte muss das Skalarprodukt wegen der Vorzeichenkonvention bezüglich des Energieaustausches zwischen System und Umgebung ein negatives Vorzeichen erhalten. Im zweiten Teil befassen wir uns mit der Volumenarbeit bei nichtquasistatischer Prozessführung, welche vorliegt, wenn sich Gasdruck und Außendruck merklich unterscheiden. Wir kritisieren die Vorschrift, die Volumenarbeit in jedem Falle mit dem Außendruck zu berechnen als unsymmetrisch. Denn bei einer Expansion ist der Außendruck der zu überwindende kleinere Druck, während er bei der Kompression der wirksame größere Druck ist.

Berechnet man bei einer nichtquasistatischen Prozessführung die Arbeit mit dem kleineren zu überwindenden Druck, so berechnet man nur den Teil der Arbeit, der auch bei quasistatischer reversibler Prozessführung anfällt. Wir haben dies verglichen mit der Arbeit, die wir verrichten müssen, wenn wir einen Stein nach oben werfen und ihm damit potentielle und kinetische Energie verleihen, aber für die Berechnung der Arbeit nur die reversible Verschiebungsarbeit gegen die Erdanziehung, also die Vermehrung der potentiellen Energie, in Rechnung stellen und die Beschleunigungsarbeit unberücksichtigt lassen. Wir haben diesen Zusammenhang als Reversibel-Share-Theorem bezeichnet. Unter Zugrundelegung dieses Theorems haben wir Gleichungen abgeleitet, die bei nichtquasistatischer Prozessführung in grober Näherung die Anteile reversibler Verschiebearbeit und irreversibler dissipativer Arbeit abschätzen lassen.