Volumenarbeit

Die mechanische Arbeit W st eine von vielen möglichen Energieformen. Sie ist als Produkt aus Kraft F und Weg definiert:

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Thermodynamische Systeme können Arbeit leisten. Wir wollen uns das an dem wichtigen Beispiel eines Gases ansehen:

Das Gas ist in einem Behälter bei einem Druck p eingeschlossen, der mit einem beweglichen Kolben verschlossen ist. Das Gas übt eine Kraft F auf den Kolben mit der Fläche A aus. Ist der Druck des Gases nur wenig größer als der äußere Druck, so kann es sich ausdehnen und den Kolben um die Strecke verschieben. Die vom Gas geleistete Arbeit ist dann:

Wir zählen sie negativ, da sie vom System geleistet wird. Die Kraft, die auf den Kolben wirkt, können wir über den Druck angeben, da ja der Druck gerade als Kraft pro Fläche (hier also die Kolbenfläche) definiert ist:

Da das Produkt aus Kolbenfläche A und Verschiebung gerade der Volumenänderung des Gases entspricht, folgt für die Arbeit:

Ein sich ausdehnendes Gas leistet also Volumenarbeit. Sie ist Grundlage der Wirkungsweise sogenannter Wärmekraftmaschinen (z. B. Verbrennungsmotoren und Dampfmaschinen). Umgekehrt kann auch an einem Gas Arbeit verrichtet werden, indem wir beispielsweise den Kolben wie bei einer Fahrradpumpe in den Behälter drücken. In diesem Fall würde die Arbeit positiv gerechnet werden, da sie am System (d. h. dem eingeschlossenen Gas) verrichtet wird.

Anmerkung: Den Wärmekraftmaschinen ist als wichtigem Teilbereich der Thermodynamik eine eigene SLE gewidmet.