2.4.3 Die feldtheoretische Form der Hauptsätze



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2.4.3 Die feldtheoretische Form der Hauptsätze

Irreversible Thermodynamik ist Thermodynamik in feldtheoretischer Darstellung. Die makroskopische Beschreibung irreversibler Prozesse wird als Theorie des Kontinuums aufgebaut [86], sodaß extensive Zustandsgrößen als Feldvariablen, d.h. als stetige Funktionen der Raumkoordinaten und der Zeit behandelt werden.

Eine beliebige extensive Zustandsvariable läßt sich nach Gl. (2.157) aus der lokalen Dichte derselben Größe berechnen. Die zeitliche Änderung von kann wegen in zwei Anteile zerlegt werden:

 

Der erste Term der rechten Seite in Gl. (2.160) entspricht der Produktion von pro Zeiteinheit innerhalb des Volumens :

 

bezeichnet eine lokale Generationsrate. Der zweite Ausdruck der rechten Seite in Gl. (2.160) repräsentiert den Zustrom durch die Oberfläche des Kontrollvolumens . Er kann durch ein Oberflächenintegral ausgedrückt werden.

 

ist die der Größe korrespondierende Stromdichte. Faßt man Gl. (2.157), (2.160), (2.161) und (2.162) zusammen, folgt:

 

Die Größe der zeitlichen Änderung in einem Volumen ist gleich der Summe des Flusses in das Volumen durch seine Oberfläche und der Erzeugung von innerhalb von . Wendet man den Gauß'schen Integralsatz auf das Oberflächenintegral an, erhält man:

 

Weil (2.164) für ein beliebiges Volumen gelten muß, resultiert daraus die lokale (differentielle) Bilanzgleichung für die Zustandsvariable :

 

Der Quellterm kann inneren bzw. äußeren Ursachen zugeordnet werden:

'Interne' Quellen sind durch lokal im Inneren des Systems existierende Inhomogenitäten z.B. der Geschwindigkeitsverteilung, der Temperatur oder chemischer Potentiale verursacht [90]. Sie sind immer als Gradienten meßbar. 'Externe' Quellen stammen von äußeren Kräften großer Reichweite, die auf das System wirken z.B. elektromagnetische Kräfte oder Gravitationskräfte.

Die Flußdichte kann als Summe eines Konvektions- und Leitungsanteils geschrieben werden [82]:

Gl. (2.165) stellt die allgemeine, lokale Form einer Bilanzgleichung dar. Wenn der Quellterm in Gl. (2.165) verschwindet, ergibt sich ein Erhaltungssatz in lokaler Formulierung [82]. Er eignet sich zur Darstellung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik, der die Erhaltung der Gesamtenergie feststellt (). Dagegen behauptet der zweite Hauptsatz der Thermodynamik die Gültigkeit folgender Ungleichung:

Die Entropie bleibt nicht erhalten. Sie nimmt infolge irreversibler Prozesse zu.



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Martin Stiftinger
Sat Jun 10 15:00:12 MET DST 1995