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Was versteht man unter äußerem und innerem Zustand eines Systems?
In der Thermodynamik wird ein System als ein spezifisch abgegrenzter Teil der Materie definiert, über den man Aussagen macht oder den man untersucht. Der Zustand eines Systems wird durch seine Eigenschaften bzw. Zustandsgrößen charakterisiert. Diese Zustandsgrößen lassen sich in zwei Kategorien einteilen: den inneren Zustand und den äußeren Zustand des Systems.
Innerer Zustand:
Der innere Zustand eines Systems wird durch Zustandsgrößen beschrieben, die die intrinsische (innere) Beschaffenheit des Systems kennzeichnen, wie Temperatur, Druck, Volumen, chemische Zusammensetzung, innere Energie (\(U\)), Entropie (\(S\)), usw. Diese Größen beschreiben, was im Inneren des Systems vor sich geht und wie die Teilchen des Systems angeordnet sind oder sich bewegen. Änderungen im inneren Zustand betreffen daher Prozesse, die innerhalb des Systems stattfinden, wie Wärmeaustausch (\(Q\)), chemische Reaktionen oder Änderungen der inneren Energie durch Verrichtung von Arbeit (\(W\)) auf mikroskopischer Ebene.
Äußerer Zustand:
Der äußere Zustand hingegen beschreibt, wie das System als Ganzes sich in Beziehung zu seiner Umgebung verhält. Dazu gehören Größen wie die Position des Systems in einem Gravitationsfeld, Geschwindigkeit, Beschleunigung des Massenschwerpunkts, oder externe Kräfte, die auf das System wirken. Änderungen des äußeren Zustands beziehen sich auf die Wechselwirkung des Systems mit seiner Umgebung, was beispielsweise die Verrichtung von mechanischer Arbeit durch Verschieben des Systems gegen äußere Kräfte oder die Änderung seiner gesamten kinetischen Energie betrifft.
Beispiel mit einem Gas:
Wenn das System ein Gas ist, beziehen sich die
inneren Zustände auf die Zustandsgrößen des Gases selbst, wie sein Volumen, Druck, Temperatur, innere Energie und so weiter. Diese Größen beschreiben, wie die Gasteilchen verteilt sind, wie sie sich bewegen und wie Energie innerhalb des Gassystems verteilt ist. Änderungen am inneren Zustand könnten beispielsweise durch Erwärmung des Gases (wodurch seine Temperatur steigt), Kompression oder Expansion des Gases (Änderung des Volumens und möglicherweise des Druckes), oder durch chemische Reaktionen im Gas erfolgen.
Die
äußeren Zustände eines Gassystems könnten beispielsweise durch die Position des Behälters, der das Gas enthält, in einem Gravitationsfeld oder durch die Bewegung dieses Behälters (Geschwindigkeit, Beschleunigung) relativ zu seiner Umgebung beschrieben werden. Arbeit am äußeren Zustand würde dann bedeuten, dass man den Behälter hebt, senkt oder bewegt, was eine Interaktion mit externen Kräften, wie der Gravitation, zeigt.
In der Thermodynamik, insbesondere beim ersten Hauptsatz (1.HS der TD), fokussiert man oft auf Änderungen des inneren Zustands des Systems, da dieser die Energiebilanz (die Summe aus zugeführter Wärmeenergie \(Q\) und verrichteter Arbeit \(W\), die die innere Energie \(U\) ändert) umfasst. Der äußere Zustand ist in solchen Betrachtungen meist weniger von Interesse, es sei denn, man analysiert Prozesse, die das System als ganzes in seiner Umgebung betreffen.
