Expansionsprozesse

Expansionsprozesse bezeichnen Vorgänge, bei denen das Volumen eines Systems zunimmt. In der Thermodynamik und Chemie treten sie häufig durch Wärmezufuhr, Druckabfall, Phasenwechsel oder chemische Reaktionen auf, die zu einer Volumenänderung führen. Solche Prozesse können reversibel oder irreversibel sein und liefern oder benötigen je nach Kontext Arbeit.

Typisch unterscheidet man Expansionsprozesse nach der Konstanthaltung bestimmter Größen: isobarisch (Druck konstant), isochor (Volumen konstant), isotherm (Temperatur konstant) und adiabatisch (kein Wärmeaustausch mit der Umgebung). Daneben unterscheidet man reversible und irreversible Expansionen; eine reversible Expansion nähert sich theoretisch dem Gleichgewicht, während reale Prozesse oft mit Verlusten durch Reibung oder Wärmeübergang einhergehen. Für viele Expansionen gilt die Arbeitsformel W = ∫ P dV, das System verrichtet Arbeit beim Volumenanstieg.

Theoretisch lassen sich Expansionsprozesse mit Zustandsgleichungen (z. B. idealgas PV = nRT) und Diagrammen wie dem P-V- oder T-S-Diagramm analysieren. Spezielle Fälle sind die Joule-Thomson-Expansion (freies Durchströmen durch eine Drossel, Enthalpie bleibt konstant) sowie isentrope bzw. polytrope Expansionen, die durch charakteristische Gleichungen beschrieben werden.

Anwendungen finden Expansionsprozesse in Maschinenbau und Technik (Verbrennungsmotoren, Turbinen, Kompressoren), in Kälte- und Klimatechnik sowie in der chemischen Reaktionstechnik. Wichtige Begriffe im Zusammenhang sind Entropieänderung, Wärmeübertragung, Phasenwechsel und Prozessirreversibilitäten.