Stoffsysteme

Stoffsysteme bezeichnet man in der Thermodynamik als abgegrenzte Teile des Universums, in denen Materie und Energie gemeinsam betrachtet werden. Die Systemgrenze legt fest, welche Größen mit der Umgebung ausgetauscht werden dürfen. Je nach Art der Grenze unterscheidet man offene, geschlossene und isolierte Stoffsysteme: Ein offenes System lässt sowohl Materie als auch Energie mit der Umgebung austauschen; ein geschlossenes System ermöglicht nur den Austausch von Energie (Wärme und Arbeit), aber keinen Stoffaustausch; ein isoliertes System ist von jeglichem Austausch gegenüber der Umgebung vollständig abgetrennt.

Ein Stoffsystem kann Reinstoffe oder Gemische enthalten. Der Zustand des Systems wird durch Zustandsgrößen beschrieben, zum Beispiel Temperatur, Druck, Volumen, Stoffmenge und Zusammensetzung. Intensive Größen wie Temperatur und Druck hängen nicht von der Systemgröße ab, während extensive Größen wie Volumen und Stoffmenge sich mit der Größe des Systems ändern. Die Zustandsgrößen bilden zusammen den Zustand des Systems und ermöglichen die Anwendung von Gleichungen der Zustandsbeschreibung.

Stoffsysteme dienen der Analyse thermodynamischer Prozesse wie Erwärmen, Abkühlen, Verdampfen oder Phasenwechsel. Beispiele sind ein Gas in einem Zylinder mit beweglicher Kolbenplatte (oft als geschlossenes System betrachtet), eine Lösung in einem Becher oder Dampf in einem Dampfkessel. In mehrphasigen Systemen gilt die Gibbs-Phasenregel, die die Anzahl der Freiheitsgrade bei Gleichgewicht bestimmt. Das Konzept ist grundlegend für Chemie, Physik und Ingenieurwissenschaften.