Ist die innere Energie U abhängig vom Druck und Volumen?

Hallo,

ich frage hier nicht, ob Volumenarbeit oder chemische Wechselwirkungen die Temperatur des Systems erhöhen könnten (was sie können), sondern ganz einfach: Hat die Systemgröße (Druck und Volumen) eine Auswirkung auf die innere Energie U (in einem geschlossenen System)?

Zuerst dachte ich, dass sich Druckenergie nicht innerhalb des Systems nutzen ließe, aber dann bin ich auf folgende Idee gekommen, die Druckenergie zu nutzen:

Man baut in einem geschlossenen System ein luftdichten Raum, der noch denselben Druck wie im System besitzt. Danach leistet man am System isotherme Volumenarbeit und kann durch Ausgleich der Drücke Energie (bspw. elektrische) innerhalb des Systems teilweise zurückgewinnen.

Demnach müsste die Innere Energie den Druck und das Volumen berücksichtigen, da ja keine Energie mit der Umgebung ausgetauscht wurde und deshalb die innere Energie seit der Volumenarbeit konstant geblieben ist.

Ein anderes Gedankenexperiment führt jedoch zu einem anderen Ergebnis.

Dass die innere Energie nicht den Druck und das Volumen berücksichtigt, kann man folgendermaßen herleiten:

Man hat einen großen Raum voller ideales Gas. Jedes Mal, wenn sich Gasmoleküle von der Systemwand entfernen entsteht eine Einbuchtung an dieser Stelle, ohne dass dem System in irgendeiner Weise Energie zugeführt werden würde. Mit zunehmender Zeit wird die Wahrscheinlichkeit für eine Volumenabnahme immer größer. Man verkleinert das Volumen und erhöht den Druck ohne Energie an das System zu geben. Ab einen gewissen Grad wird es unrealistisch unwahrscheinlich, dass sich das System noch verkleinert. Diese Unstimmigkeit ignoriere ich einfach mal.

Dasselbe kann man mit der Ausdehnung machen. Man hat ein System voller ideales Gas und dehnt die Systemgrenzen aus. Die innere Energie bleibt konstant, zumindest dachte ich das zuerst. Ich bin auf die Idee gekommen, dass sich die potentielle Energie innerhalb des Systems bei Volumenänderung verändern könnte: Wenn man ein Haufen Elektronen hat steigt oder sinkt die potentielle Energie, je nach Verteilung der Elektronen innerhalb des Systems.

Dennoch hat das eine Gedankenexperiment zur Volumenverkleinerung zu einem anderen Ergebnis geführt. Wo liegt mein Denkfehler?

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KuarThePirat
1 year ago

The first main set of thermodynamics is:

From this context, we see that, for example, an isothermal compaction, in which no change in internal energy occurs, is not possible without heat exchange with the environment. If dU=0 and volume change work is performed, heat must pass over the system limit, because pdV would no longer be equal to zero and thus dU=0.

KuarThePirat
1 year ago

No, in the case of ideal gases, internal energy does not increase. In real gases, however, internal energy is already changing since there are intermolecular interactions. In the case of real gas, volume change work must be performed during expansion.

KuarThePirat
1 year ago

In real gas, the system boundaries have an influence because volume change work has to be done to shift the system boundaries. They don’t have that in the ideal gas.

Hamburger02
1 year ago

The interior (specific) energy is exclusively a function of temperature. She has nothing to do with pressure and volume.

Isothermal volume work is then carried out on the system

In order to keep T constant, exactly as much heat must be removed as is supplied to volume change work. Thus, u remains constant. ♪

because no energy was exchanged with the environment

I can’t. An isothermal compression is not possible without the exchange of heat.

KuarThePirat
1 year ago
Reply to  Hamburger02

You might add that your first statement only applies to ideal gases with constant particle count.

Hamburger02
1 year ago
Reply to  KuarThePirat

That we are talking about closed systems is a question and even in real gases, the internal energy is a function of temperature, although not necessarily a linear one.

Hamburger02
1 year ago

then this breaks the first main set of thermodynamics, since the inner energy now changes.

No:

dU = Q + W

When heat is supplied, the inner energy changes and thus the temperature changes. Then a new equilibrium is established with another state.

Heat is the carrier of entropy badly. Once heat is supplied, entropy is also added and the entropy of the system increases. As soon as the new thermodynamic equilibrium has been set, the system has reached the maximum entropy with respect to the existing state variables. Then nothing happens.

Hamburger02
1 year ago

In classic thermodynamics, quasi-static state changes are assumed. This means that the system never leaves the proximity of the thermodynamic equilibrium, but that equilibrium formation can follow the process quickly enough so that dynamic processes can be neglected.

By the way, electrical energy is not a potential energy, but a separate energy category.

As soon as dynamic processes are decisive, we leave the classic linear thermodynamics and enter the relatively new area of nonlinear thermodynamics.

KuarThePirat
1 year ago

But not only from the temperature, but also from the volume (dU/dV_m) at constant T, a/V_m^2 results in the vdW state equation, since the cohesion forces contribute to the energy.