Zustandsgröße
Eine Zustandsgröße ist eine physikalische Größe beziehungsweise ein Parameter in einer Zustandsgleichung, die nur vom momentanen Zustand des betrachteten physikalischen Systems abhängt und daher vom Weg, auf dem dieser Zustand erreicht wurde, unabhängig ist. Sie beschreibt also eine Eigenschaft des Systems in diesem Zustand. Beispielsweise ist die Menge Bier in einem Glas eine Zustandsgröße.
Im Gegensatz hierzu stehen die wegabhängigen Prozessgrößen wie beispielsweise die verrichtete Arbeit oder die übertragene Wärme eines Prozessschrittes. Beispielsweise ist die Menge Bier, die im Laufe eines Abends aus dem Bierglas getrunken wurde, eine Prozessgröße. So ist auch der Ort eine Zustandsgröße, die Ortsänderung aber, also die Geschwindigkeit, ist eine Prozessgröße.
Den Wechsel zwischen zwei verschiedenen Zuständen und damit auch die Veränderung der Zustandsgrößen bezeichnet man als Zustandsänderung.
Zustandsgrößen in der Thermodynamik
In der Thermodynamik erfolgt die eindeutige Beschreibung eines Systems unter anderem mittels der Zustandsgrößen Druck p, (absolute) Temperatur T, Volumen V und Teilchenzahl N bzw. Stoffmenge n, Dichte ρ, innere Energie U, Enthalpie H und Entropie S. Diese Zustandsgrößen bleiben konstant, wenn sich ein System im thermodynamischen Gleichgewicht befindet.
Weiterhin lassen sich Zustandsgrößen in intensive und extensive Größen einteilen. Intensive Zustandsgrößen sind von der Größe des Systems unabhängig, also beispielsweise Druck und Temperatur. Extensive Zustandsgrößen hingegen sind jedoch von der Größe des Systems abhängig, so wie beispielsweise Teilchenzahl und Volumen.
Im Bierglas-Beispiel: Die Biermenge im Glas ist eine extensive Größe, da zwei Gläser die doppelte Menge Bier enthalten. Die Temperatur des Bieres hingegen ist eine intensive Größe, da zwei Gläser Bier nicht doppelt so warm sind wie ein einzelnes.
Experimentelle Befunde zeigen, dass die genannten Größen nicht voneinander unabhängig geändert werden können, was auch in der Gibbssche Phasenregel beziehungsweise in der Festlegung des Zustands eines Systems auf eine bestimmte Anzahl Freiheitsgrade zum Ausdruck kommt. Den Zusammenhang zwischen den Zustandsgrößen eines Systems beschreiben Zustandsgleichungen. Die meisten realen Systeme können nicht durch Zustandsgleichungen beschrieben werden, da zwischen deren Zustandsgrößen keine mathematische Beziehung formuliert werden kann.
Bei Gasen sehr geringer Dichte hingegen lässt sich ein solcher Zusammenhang unter bestimmten Bedingungen, wie einem geringen Druck und einer hoher Temperatur, näherungsweise durch die Annahme eines idealen Verhaltens beschreiben, was in der allgemeinen Gasgleichung ausformuliert wurde:
(mit R = 8,3145 J/(mol•K) - allgemeine Gaskonstante)
Ebenfalls nur mit einer Näherung, jedoch gültig auch für stärker reale Gase, ist die Van-der-Waals-Gleichung:
Zustandsfunktionen wie die innere Energie oder die Enthalpie eines Systems sind aus den grundlegenderen Zustandsgrößen abgeleite Größen, welche man in der Zustandsgleichung in der Folge als Zustandsvariablen bezeichnet und welche daher ihrerseits wiederum Zustandsgrößen darstellen, also auch wegunabhängig sind. Hierbei entscheidet der Einzelfall welche Größe man als Zustandsfunktion und welche man als Zustandsvariablen nutzt, so dass auch beispielsweise die Enthalpie, wie bei der Definition der freien Enthalpie, wiederum als eine Zustandsvariable genutzt werden kann. Einige Beziehungen zwischen den verschiedenen Zustandsgrößen hat man unter dem Begriff der Maxwell-Beziehungen zusammengefasst.
Zustandsgrößen in der Astrophysik
In der Astrophysik charakterisieren Zustandsgrößen unter anderem Sterne, indem beispielsweise ihre Oberflächentemperatur, Schwerebeschleunigung an der Oberfläche, Leuchtkraft, Masse und Radius betrachtet werden.
Siehe auch: stoffeigene Größe, systemeigene Größe, molare Größe, spezifische Größe, partielle Größe