Volumenarbeit

Die reibungsfrei und quasistatisch zugeführte Arbeit ist in dem dargestellten Zylinder mit dem Querschnitt ${\displaystyle A}$  ${\displaystyle \left(\Rightarrow \mathrm {d} s={\frac {\mathrm {d} V}{A}}\right)}$ 

wegen ${\displaystyle F=p\cdot A}$  (Reibungsfreiheit):

${\displaystyle \Rightarrow W_{\mathrm {1,2} }=\int \limits _{V_{1}}^{V_{2}}\delta W=-\int \limits _{V_{1}}^{V_{2}}p\cdot \mathrm {d} V}$ 

mit

• ${\displaystyle \delta W=-pdV}$  das inexakte Differential der Volumenarbeit
• ${\displaystyle p}$ : Druck
• ${\displaystyle \mathrm {d} V}$ : Volumenänderung.

Diese Zustandsänderung verläuft im p-V-Diagramm vom Punkt 1 zum Punkt 2, bei der dargestellten Kompression also in negativer Volumenrichtung ${\displaystyle \left(\mathrm {d} V<0\right);}$  daher hätte die Kompressionsarbeit ohne das Minuszeichen in der Formel ein negatives Vorzeichen.

Der Integralwert, der der Fläche unter dem Zustandsverlauf entspricht, lässt sich berechnen, wenn die Funktion p = f(V) bekannt ist (s. u.).

Im realen Fall, wenn zwischen dem Kolben und dem Zylinder eine Reibungskraft wirkt, muss beim Komprimieren zusätzlich zur Volumenänderungsarbeit die Reibungsarbeit ${\displaystyle W_{R}}$  aufgebracht werden. Diese erhöht die innere Energie des Systems und damit den Druck gegenüber dem reibungsfreien Vorgang (wenn sie nicht durch Kühlung als Wärme nach außen abgeführt wird):

${\displaystyle {p_{2}}'>p_{2}}$ 

Im p-V-Diagramm verläuft die Zustandsänderung nun vom Punkt 1 zum Punkt 2’. Das heißt, dass auch die Volumenänderungsarbeit, die der Fläche unter dem Verlauf entspricht, größer wird, ohne dass darin die Reibungsarbeit selbst enthalten ist:

${\displaystyle \Rightarrow W_{1,2'}>W_{1,2}}$ 

Die von außen aufzubringende Arbeit ist also die Summe aus der nunmehr größeren Volumenänderungsarbeit und der Reibungsarbeit:

${\displaystyle W_{\mathrm {ext} }=W_{1,2'}+W_{R}}$ 

Angenommen sei die isotherme Expansion eines idealen Gases ${\displaystyle \left(T={\text{konst.}}\right).}$ 

Dann lässt sich durch Einsetzen der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase:

${\displaystyle p(V)=n\cdot R\cdot T\cdot {\frac {1}{V}}}$ 

mit

• n die Stoffmenge
• R die allgemeine Gaskonstante
• T die absolute Temperatur

das Integral für die Volumenarbeit lösen:

${\displaystyle {\begin{aligned}\Rightarrow W_{\mathrm {1,2} }&=-&n\cdot R\cdot T\cdot \ln {\frac {V_{2}}{V_{1}}}\\&=&n\cdot R\cdot T\cdot \ln {\frac {V_{1}}{V_{2}}}\end{aligned}}}$ 

Anhand dieser Gleichung sieht man, dass bei der Expansion eines idealen Gases die Volumenarbeit negativ ist, also Energie frei wird; dies folgt aus dem Logarithmus, der für Zahlen kleiner eins negativ und für Zahlen größer eins positiv ist:

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{2}>V_{1}\\\Leftrightarrow {\frac {V_{2}}{V_{1}}}>1\\\Leftrightarrow \ln {\frac {V_{2}}{V_{1}}}>0\\\Rightarrow W_{\mathrm {1,2} }<0\end{aligned}}}$ 

Statt n·R kann man oben auch m·R_s einsetzen:

${\displaystyle n\cdot R=m\cdot R_{\mathrm {s} }}$ 

wobei

• m die Masse des Stoffes und
• R_s seine spezifische Gaskonstante ist.

Wird die Kompression in einem offenen System mit dem Außendruck ${\displaystyle p_{0}}$  durchgeführt, so muss an tatsächlicher Arbeit

${\displaystyle W_{1,2}=p_{0}\cdot (V_{2}-V_{1})}$ 

aufgebracht werden, da der Außendruck mit der Fläche multipliziert ebenfalls eine Kraft ergibt. Ist der Außendruck höher als der Innendruck des zu komprimierenden Volumens, so wird dabei Energie gewonnen; ist er geringer, so muss dabei Arbeit geleistet werden.

• Thermodynamik
• Dissipation
• Technische Arbeit
• Verschiebearbeit

• Literatur zur Technischen Thermodynamik