Theorie reale Stoffe

Gleichgewichtszustände

Einen Stoff kann man komprimieren bzw. expandieren oder heizen bzw. kühlen. Damit ändert sich dessen Volumen oder dessen Gehalt an Entropie. Volumen und Entropie bestimmen die zugehörigen Potenziale, den Druck und die Temperatur. Falls die Funktionen p(V,S) und T(V,S) bekannt sind, kann man mit Hilfe des Carnotors alle möglichen Zustandsänderungen simulieren.

Betrachten wir vorerst ein paar Zustandsänderungen

  • Eis schmilzt unter Normaldruck (1.013 bar) bei 0°C zu Wasser, bei 100°C bildet sich Dampf. Die Temperatur des Dampfs steigt erst dann weiter an, wenn alles Wasser verschwunden ist.
  • Stellt man Trockeneis (gefrorenes Kohlenstoffdioxid) an die Luft, löst sich das Trockeneis förmlich in Luft auf. Trockeneis geht beim Erwärmen nicht in den flüssigen sondern direkt in den gasförmigen Zustand über (Sublimation). Daher der Name Trockeneis. Die flüssige Phase von CO2 ist erst ab einem Druck von 5.2 bar stabil.
  • Füllt man einen Zylinder mit gasförmigem Butan (C4H10) und drückt einen Kolben hinein, stellt man erstaunt fest, dass sich Butan anders als Luft verhält: Butan kondensiert schon bei mässig erhöhtem Druck und widersetzt sich nicht wie ein gewöhnliches Gas der Kompression.

Reale Stoffe können isochor oder isobar geheizt sowie isentrop oder isotherm komprimiert werden. Nur verhalten sich diese Stoff ziemlich anders als das ideale Gas. Alle möglichen Gleichgewichtszustände eines Stoffs lassen sich auf einer Zustandsfläche darstellen. Diese Fläche ist der Graph der Funktion p(V,T).