In der Thermodynamik ist es üblich, von thermodynamischen Systemen zu sprechen. Damit erfolgt eine Abgrenzung zu anderen Teilbereichen der Physik, etwa zu mechanischen Systemen.
Ein thermodynamisches System ist ein durch eine Systemgrenze von seiner Umgebung abgetrennter Raumbereich, der durch Zustandsgrößen gekennzeichnet werden kann.
Solche Zustandsgrößen, die ein System kennzeichnen, sind z.B. die Temperatur, der Druck, das Volumen, die Dichte, die innere Energie, die Teilchenanzahl oder die Geschwindigkeit der Teilchen.
Die Wahl der Systemgrenze ist willkürlich. Sie erfolgt aus Gründen der Zweckmäßigkeit meist so, dass die Vorgänge im System möglichst gut überschaubar und einfach erfasst werden können. Dazu kann man ein komplexes System auch in Teilsysteme zerlegen. Über die Systemgrenze hinweg kann ein System mit der Umgebung in Wechselwirkung treten. Welche Wechselwirkungen zwischen System und Umgebung in die Betrachtungen einbezogen werden, muss jeweils eindeutig geklärt werden.
Wie andere physikalische
Systeme kann auch ein thermodynamisches System abgeschlossen, geschlossen
oder offen sein.
Ein abgeschlossenes
thermodynamisches System ist dadurch gekennzeichnet, dass die Systemgrenze
für Energie und Stoffe undurchlässig ist. Ein Beispiel dafür
ist ein gut isoliertes Thermosgefäß.
Ein geschlossenes
thermodynamisches System ist ein solches, bei dem über die Systemgrenze
hinweg kein Stoffaustausch, aber ein Energieaustausch in Form von Wärme
und Arbeit erfolgt. Beispiele dafür sind Kühlschänke oder
Sonnenkollektoren.
Ein offenes
thermodynamisches System ist ein System, bei dem durch die Systemgrenze
hindurch sowohl Stoff- als auch Energieaustausch erfolgt. Das ist z.B.
bei einem Pkw-Motor der Fall, dem Kraftstoff zugeführt wird und der
Wärme und Arbeit an die Umgebung abgibt.
Stoffaustausch
mit der Umgebung kann durch Größen beschrieben werden, die
Stoffmengen charakterisieren, z.B. die Masse oder das Volumen.
Energieaustausch mit
der Umgebung wird durch die Prozessgrößen Wärme
und mechanische Arbeit
beschrieben. Dabei gibt es eindeutige Festlegungen bezüglich der
Vorzeichen (Bild 2):
- Wird an einem System mechanische
Arbeit verrichtet oder wird dem System Wärme zugeführt, so
haben Arbeit und Wärme ein positives Vorzeichen. Die Energie des
Systems wird größer.
- Wird von einem System mechanische Arbeit verrichtet oder gibt das System Wärme ab, so haben Arbeit und Wärme ein negatives Vorzeichen. Die Energie des Systems wird kleiner.