Reibungsbehaftete Prozesse
Wie bereits im Zusammenhang mit geschlossenen Systemen erläutert, beeinflusst Reibung den Verlauf der Zustandsänderung. So wird bei reibungsbehafteten Vorgängen die Reibungsenergie in innere Energie dissipiert. Sie führt zu einer verstärkten Temperaturerhöhung bei Kompressionsvorgängen bzw. zu verringerten Temperaturabnahme bei Expansionsvorgängen. Dadurch bedingt verläuft die Zustandsänderung auf einem höheren Druckniveau. Somit wird bei einem reibungsbehafteten Kompressionsvorgang der gewünschte Enddruck bereits früher erreicht, d.h. bei einem größeren Volumen. Umgekehrt wird der gewünschte Enddruck bei einem Expansionsvorgang erst später erreicht, d.h. ebenfalls bei einem größeren Volumen.
Interaktive Abbildung: Reibungsfreier und reibungsbehafteter Kompressionsvorgang im Vergleich
Interaktive Abbildung: Reibungsfreier und reibungsbehafteter Expansionsvorgang im Vergleich
Die Druckänderungsarbeit, welche sich als seitliche Fläche neben den Zustandskurven ergibt, ist somit für reibungsbehaftete Zustandsänderungen größer als bei reibungsfreien Prozessen [fahre hierzu mit der Maus über die oberen Abbildungen].
Dabei darf allerdings nicht vergessen werden, dass die größere Druckänderungsarbeit \(W_D\) bei reibungsbehafteten Vorgängen nicht vollständig als technische Arbeit nach außen abgegeben wird. Erst abzüglich der Dissipationsarbeit \(W_{Diss}\) erhält man die technische Arbeit \(W_t\). Ebenso muss bei einem Kompressionsvorgang nicht nur die Druckänderungsarbeit aufgebracht werden sondern zusätzlich auch noch die Reibungsarbeit (Dissipationsarbeit) überwunden werden. Somit kann für beide Fälle unter Vernachlässigung der Änderung von kinetischer und potentieller Energie geschrieben werden (siehe hierzu auch das Kapitel technische Arbeit):
\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{2369}
&\boxed{W_{t} = \int\limits_{p_1}^{p_2}V(p)~\text{d}p + W_{Diss}} ~~~\text{bzw.}~~~ \boxed{w_{t} = \int\limits_{p_1}^{p_2}v(p)~\text{d}p + w_{Diss}} \\[5px]
\end{align}
Beachte, dass die Dissipationsarbeit stets der inneren Energie zugutekommt und insofern immer positiv ist (\(W_{Diss}\)>0).
Die Druckänderungsarbeit ist bei einem Expansionsvorgang hingegen negativ zu werten, da Arbeit vom System nach außen abgegeben wird (\(W_D\)<0). Die Summe von (negativer) Druckänderungsarbeit und (positiver) Dissipationsarbeit wird also betragsmäßig geringer sein, sodass als technische Arbeit ein betragsmäßig geringerer (negativer) Anteil nach außen abgegeben wird.
Bei einem Kompressionsvorgang ist die Druckänderungsarbeit hingegen positiv, da Arbeit dem System zugeführt wird (\(W_D\)>0). Deshalb wird die Summe aus (positiver) Druckänderungsarbeit und (positiver) Dissipationsarbeit größer sein, sodass auch eine entsprechend größere (positive) technische Arbeit von außen zuzuführen ist.
Für näherer Informationen siehe den Abschnitt reibungsbehaftete Prozesse im Kapitel geschlossene Systeme.