Was ist ein isothermer Prozess in der Physik?

Die Wissenschaft der Physik untersucht Objekte und Systeme, um ihre Bewegungen, Temperaturen und andere physikalische Eigenschaften zu messen. Es kann auf alles angewendet werden, von einzelligen Organismen über mechanische Systeme bis hin zu Planeten, Sternen und Galaxien und den Prozessen, die diese steuern. In der Physik ist Thermodynamik ein Zweig, der sich auf Änderungen der Energie (Wärme) in den Eigenschaften eines Systems während einer physikalischen oder chemischen Reaktion konzentriert. 

Der "isotherme Prozess" ist ein thermodynamischer Prozess, bei dem die Temperatur eines Systems konstant bleibt. Die Wärmeübertragung in das oder aus dem System erfolgt so langsam, dass das thermische Gleichgewicht erhalten bleibt. "Thermal" ist ein Begriff, der die Wärme eines Systems beschreibt. "Iso" bedeutet "gleich", also "isotherm" bedeutet "gleiche Wärme", was das thermische Gleichgewicht definiert.

Der isotherme Prozess

Während eines isothermen Prozesses ändert sich im Allgemeinen die innere Energie, die Wärmeenergie und die Arbeit, obwohl die Temperatur gleich bleibt. Etwas im System arbeitet, um diese gleiche Temperatur aufrechtzuerhalten. Ein einfaches ideales Beispiel ist der Carnot-Zyklus, der im Grunde beschreibt, wie eine Wärmekraftmaschine funktioniert, indem sie einem Gas Wärme zuführt. Infolgedessen dehnt sich das Gas in einem Zylinder aus, und dies drückt einen Kolben, um etwas Arbeit zu verrichten. Die Wärme oder das Gas muss dann aus dem Zylinder gedrückt (oder abgelassen) werden, damit der nächste Wärme- / Expansionszyklus stattfinden kann. Das passiert zum Beispiel in einem Automotor. Wenn dieser Zyklus vollständig effizient ist, ist der Prozess isotherm, da die Temperatur konstant gehalten wird, während sich der Druck ändert. 

Um die Grundlagen des isothermen Prozesses zu verstehen, betrachten Sie die Wirkung von Gasen in einem System. Die innere Energie eines ideales Gas hängt nur von der Temperatur ab, daher beträgt die Änderung der inneren Energie während eines isothermen Prozesses für ein ideales Gas ebenfalls 0. In einem solchen System führt die gesamte einem System (aus Gas) zugeführte Wärme Arbeit aus, um den isothermen Prozess aufrechtzuerhalten, solange der Druck bleibt konstant. Wenn ein ideales Gas in Betracht gezogen wird, bedeutet die Arbeit am System zur Aufrechterhaltung der Temperatur, dass das Volumen des Gases mit zunehmendem Druck auf das System abnehmen muss. 

Isotherme Prozesse und Materiezustände

Isotherme Prozesse sind vielfältig. Verdampfung von Wasser in die Luft ist eine, ebenso wie das Kochen von Wasser bei einem bestimmten Siedepunkt. Es gibt auch viele chemische Reaktionen, die das thermische Gleichgewicht aufrechterhalten, und in der Biologie werden die Wechselwirkungen einer Zelle mit ihren umgebenden Zellen (oder anderen Substanzen) als isothermer Prozess bezeichnet.  

Verdampfung, Schmelzen und Kochen sind ebenfalls "Phasenänderungen". Das heißt, es handelt sich um Änderungen an Wasser (oder anderen Flüssigkeiten oder Gasen), die bei konstanter Temperatur und konstantem Druck stattfinden. 

Darstellung eines isothermen Prozesses

In der Physik werden solche Reaktionen und Prozesse mithilfe von Diagrammen (Grafiken) grafisch dargestellt. In einem Phasendiagramm wird ein isothermer Prozess grafisch dargestellt, indem einer vertikalen Linie (oder Ebene in einem 3D-Phasendiagramm) entlang einer konstanten Temperatur gefolgt wird. Der Druck und das Volumen können sich ändern, um die Temperatur des Systems aufrechtzuerhalten.

Während sie sich ändern, ist es möglich, dass ein Stoff seinen Aggregatzustand ändert, auch wenn seine Temperatur konstant bleibt. Durch die Verdunstung des Wassers während des Siedens bleibt die Temperatur gleich, wenn das System Druck und Volumen ändert. Dies wird dann aufgezeichnet, wobei die Temperierung entlang des Diagramms konstant bleibt. 

Was das alles bedeutet

Wenn Wissenschaftler isotherme Prozesse in Systemen untersuchen, untersuchen sie tatsächlich Wärme und Energie sowie die Verbindung zwischen ihnen und der mechanischen Energie, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Systems zu ändern oder aufrechtzuerhalten. Ein solches Verständnis hilft Biologen zu untersuchen, wie Lebewesen ihre Temperaturen regulieren. Es kommt auch in Ingenieurwissenschaften, Weltraumwissenschaften, Planetenwissenschaften, Geologie und vielen anderen Bereichen der Wissenschaft zum Einsatz. Thermodynamische Leistungszyklen (und damit isotherme Prozesse) sind die Grundidee von Wärmekraftmaschinen. Menschen benutzen diese Geräte, um elektrische Kraftwerke und, wie oben erwähnt, Autos, Lastwagen, Flugzeuge und andere Fahrzeuge anzutreiben. Darüber hinaus existieren solche Systeme auf Raketen und Raumfahrzeugen. Ingenieure wenden Prinzipien des Wärmemanagements (mit anderen Worten Temperaturmanagement) an, um die Effizienz dieser Systeme und Prozesse zu steigern. 

Bearbeitet und aktualisiert von Carolyn Collins Petersen.