Direkt zum Inhalt

Pfadnavigation

  1. Startseite
  2. Physik
  3. 2 Mechanik
  4. 2.4 Mechanische Arbeit, Energie und Leistung
  5. 2.4.1 Die mechanische Arbeit
  6. Volumenänderungsarbeit

Volumenänderungsarbeit

Volumenänderungsarbeit oder Volumenarbeit wird verrichtet, wenn auf ein abgeschlossenes Gas eine Kraft wirkt und sich dabei das Volumen des Gases ändert. Unter der Bedingung, dass der Druck in dem Gas bei der Volumenänderung konstant ist, lässt sich die Volumenänderungsarbeit mit folgender Gleichung berechnen:

W A = p ⋅ Δ V                        p      Druck im Gas                        Δ V   Änderung des Gasvolumens

Die Verformungsarbeit kann auch aus einem Druck-Volumen-Diagramm (p-V-Diagramm) ermittelt werden. Die Volumenänderungsarbeit wird wie die anderen Arten mechanischer Arbeit in den Einheiten ein Newtonmeter (1 Nm) und ein Joule (1 J) gemessen.

Schule wird easy mit KI-Tutor Kim und Duden Learnattack

  • Kim hat in Deutsch, Mathe, Englisch und 6 weiteren Schulfächern immer eine von Lehrkräften geprüfte Erklärung, Video oder Übung parat.
  • 24/7 auf Learnattack.de und WhatsApp mit Bildupload und Sprachnachrichten verfügbar. Ideal, um bei den Hausaufgaben und beim Lernen von Fremdsprachen zu unterstützen.
  • Viel günstiger als andere Nachhilfe und schützt deine Daten.
Jetzt 30 Tage risikofrei testen
Your browser does not support the video tag.

Die Volumenänderungsarbeit ist eine Art der mechanischen Arbeit und wie jede Arbeit eine Prozessgröße. Volumenänderungsarbeit oder Volumenarbeit wird z. B. verrichtet, wenn man mit einer Luftpumpe Luft auf einen Reifen pumpt (Bild 1), der Kolben im Zylinder eines Verbrennungsmotors bewegt wird oder ein Luftballon aufgeblasen wird. Allgemein gilt:

Volumenänderungsarbeit wird verrichtet, wenn auf ein abgeschlossenes Gas eine Kraft wirkt und sich dabei das Volumen des Gases ändert.

Die Kraft kann dabei von außen über einen Kolben auf das Gas einwirken, wie das z. B. bei einer Luftpumpe der Fall ist.
Es können aber auch innere Kräfte wirken, wie z. B. im Zylinder eines Verbrennungsmotors: Durch Verbrennen von Benzin oder Dieselkraftstoff erhöht sich der Druck im Gas. Der Kolben wird dadurch bewegt und das Volumen des Gases vergrößert sich. Führt man einem abgeschlossenen Raum von außen Wärme zu, so vergrößert sich ebenfalls der Druck in dem abgeschlossenen Raum. Auch das kann zu einer Volumenänderung führen. Es wird Volumenänderungsarbeit verrichtet. Das ist z. B. bei einer Luftmatratze der Fall, die sich erst im Wasser befand und anschließend in die pralle Sonne gelegt wird.
Für einen speziellen Fall lässt sich die Volumenänderungsarbeit relativ einfach berechnen.

  • Volumenänderungsarbeit bei einer Luftpumpe

    L. Meyer, Potsdam

Unter der Bedingung, dass der Druck in dem Gas bei der Volumenänderung konstant ist, lässt sich die Volumenänderungsarbeit mit folgender Gleichung berechnen:

W A = p ⋅ Δ V                        p      Druck im Gas                        Δ V   Änderung des Gasvolumens

Die Volumenänderung ist gleich der Differenz zwischen dem Endvolumen und dem Anfangsvolumen. Vergrößert sich das Volumen, dann ist die Differenz positiv. Bei Volumenverkleinerung ist die Differenz negativ. Vereinbarungsgemäß wird nun aber in der Physik die an einem abgeschlossenen System verrichtet Arbeit (Volumenverkleinerung) mit einem positiven Vorzeichen und die von einem System verrichtete Arbeit (Volumenvergrößerung) mit einem negativen Vorzeichen versehen. Um beiden Festlegungen gerecht zu werden, schreibt man auch manchmal für die Volumenänderungsarbeit:

W A = − p ⋅ Δ V

Das Vorzeichen ergibt sich aus den obigen Festlegungen. Es beinhaltet eine Aussage darüber, ob an einem System (Volumenverkleinerung) oder von einem System (Volumenvergrößerung) Arbeit verrichtet wird.

  • Volumenänderungsarbeit bei einem abgeschlossenen Zylinder

Die genannte Gleichung kann man aus der allgemeinen Gleichung

W = F ⋅ s (1)

zur Berechnung der mechanischen Arbeit herleiten. Wir betrachten dazu die Arbeit, die beim Hineinschieben eines Kolbens in einen Zylinder verrichtet wird (Bild 3).

Die konstante Kraft F ist gleich dem Produkt aus dem konstanten Druck p und der Fläche A des Kolbens:

F = p ⋅ A (2)

Der Weg kann aus der Volumenänderung und der Fläche des Kolbens berechnet werden:

s = Δ V A (3)

Setzt man die Gleichungen (2) und (3) in die rechte Seite der Gleichung (1) ein, so erhält man:

W = p ⋅ A ⋅ Δ V A W = p ⋅ Δ V

  • Herleitung der Gleichung für die Volumenänderungsarbeit

Die Volumenänderungsarbeit kann auch aus einem p-V-Diagramm (Druck-Volumen-Diagramm) ermittelt werden (Bild 4a). Die Volumenänderungsarbeit ist gleich der Fläche unter dem Graphen, wobei für eine Angabe des Wertes die auf den Achsen abgetragenen Einheiten zu beachten sind. Die Bestimmung der Volumenänderungsarbeit ist aus einem Diagramm auch dann möglich, wenn der Druck nicht konstant ist (Bild 4b). Dann kann man die Arbeit durch Auszählen der Fläche ermitteln.

Die Volumenänderungsarbeit spielt vor allem bei Verbrennungsmotoren (Dieselmotoren, Ottomotoren) sowie bei Dampfmaschinen eine entscheidende Rolle. Dabei wird vom Gas mechanische Arbeit verrichtet. Sie wird genutzt, um Fahrzeuge und Maschinen anzutreiben.

  • p-V-Diagramme: Die Fläche unter dem Graphen ist gleich der Volumenänderungsarbeit.
Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Volumenänderungsarbeit." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/index.php/schuelerlexikon/physik/artikel/volumenaenderungsarbeit (Abgerufen: 10. June 2025, 00:58 UTC)

Suche nach passenden Schlagwörtern

  • Herleitung der Gleichung
  • Prozessgröße
  • Volumenänderungsarbeit
  • Art der mechanischen Arbeit
  • abgeschlossenes System
  • p-V-Diagramm
  • Volumenarbeit
  • Verbrennungsmotoren
Jetzt durchstarten

Lernblockade und Hausaufgabenstress?

Entspannt durch die Schule mit KI-Tutor Kim und Duden Learnattack.

  • Kim hat in Deutsch, Mathe, Englisch und 6 weiteren Schulfächern immer eine von Lehrkräften geprüfte Erklärung, Video oder Übung parat.
  • 24/7 auf Learnattack.de und WhatsApp mit Bildupload und Sprachnachrichten verfügbar. Ideal, um bei den Hausaufgaben und beim Lernen von Fremdsprachen zu unterstützen.
  • Viel günstiger als andere Nachhilfe und schützt deine Daten.

Verwandte Artikel

Die Wärme

Die Wärme ist eine relativ komplizierte physikalische Größe, deren Wesen erst im Laufe vieler Jahrzehnte geklärt werden konnte. Heute kann man klar definieren: Die Wärme gibt an, wie viel thermische Energie von einem Körper auf einen anderen Körper übertragen wird.

 Formelzeichen:Q
 Einheit:ein Joule (1 J)

Die Wärme ist wie die mechanische Arbeit eine Prozessgröße, da sie den Prozess der Energieübertragung zwischen Körpern beschreibt.

Entdeckung des Luftdrucks

Die Geschichte der Entdeckung des Luftdrucks reicht von der Antike bis ins 17. Jahrhundert. Sie war eng mit der Suche nach dem luftleeren Raum, dem Vakuum, verbunden. Um 1630 wurde GALILEO GALILEI von Brunnenbauern auf ein Problem aufmerksam gemacht, der seinen Schüler EVANGELISTA TORRICELLI mit der Lösung beauftragte. TORRICELLI konnte erstmals den Luftdruck messen.
BLAISE PASCAL, der davon erfuhr, baute das erste Barometer. Weltberühmt wurde OTTO VON GUERICKE mit seinen ?Magdeburger Halbkugeln?, mit denen er 1654 die Wirkung des Luftdrucks eindrucksvoll nachwies. Der Luftdruck ist eine spezielle Art des Schweredruckes. Er kommt durch die Gewichtskraft der Luftsäule (Atmosphäre) zustande und ist deshalb am Erdboden am größten. Der normale Luftdruck bei 0 °C in Höhe des Meeresspiegels wird als Normdruck bezeichnet. Er hat einen Betrag von
1.013,25 hPa = 1.013,25 mbar = 101,325 kPa = 760 Torr.

Luftdruck und Wetter

Luftdruck und Wetter hängen eng miteinander zusammen. Ein Hochdruckgebiet ist häufig mit schönem Wetter, ein Tiefdruckgebiet mit schlechtem Wetter verbunden. Von den Druckunterschieden in der Atmosphäre ist es auch abhängig, in welcher Richtung und mit welcher Geschwindigkeit Wind weht. Druck- und Temperaturunterschiede bestimmen Luftströmungen an Bergen (Steig- und Fallwinde), Aufwinde oder die Entstehung von Föhn. Je nach den vorhandenen Bedingungen entstehen Wolken und Niederschlag in Form von Regen, Schnee oder Hagel. Aus zahlreichen Beobachtungsdaten und Messwerten ergeben sich kurz- und mittelfristige Wettervorhersagen.

Energie und Arbeit

Die physikalischen Größen Energie und Arbeit hängen eng miteinander zusammen. Wird von einem System oder an einem System Arbeit verrichtet, so ändert sich dessen Energie. Allgemein gilt:

Die von einem System oder an einem System verrichtete Arbeit ist gleich der Änderung seiner Energie.

Luftschiff

Luftschiffe sind Fluggeräte, die ab etwa 1890 in größerem Umfange entwickelt wurden und die vor allem zwischen 1910 und 1937 eine wichtige Rolle als Transportmittel für Post, Personen und Güter spielten. Die Entwicklung der Luftschiffe ist eng mit dem Namen von FERDINAND GRAF VON ZEPPELIN (1837-1917) verbunden, weshalb sie auch als Zeppeline bezeichnet werden.
Nach 1937 spielten sie keine Rolle mehr. Nur vereinzelt wurden nach dem Zweiten Weltkrieg kleinere Luftschiffe für Werbezwecke genutzt.
In den neunziger Jahren des 20. Jahrhundert begann in Deutschland die Entwicklung neuer Zeppeline für Tourismus und als Transportmittel. Es handelt sich dabei um den Zeppelin NT und um den Cargolifter, dessen Entwicklung inzwischen aber eingestellt wurde.

Ein Angebot von

Footer

  • Impressum
  • Sicherheit & Datenschutz
  • AGB
© Duden Learnattack GmbH, 2025