Isotherm

Als „isotherm“ bezeichnet man in der Physik und Chemie die Beibehaltung einer gleichbleibenden (konstanten) Temperatur. Das Wort leitet sich ab aus dem griechischen „isos“ („gleich“) und „therme“ („Wärme“). Unsere Wahrnehmung von Wärme basiert auf der Brown’schen Molekularbewegung eines Stoffes. Die Temperatur ist neben Druck und Volumen eine der zentralen Zustandsgrößen der Materie in der Thermodynamik. Zur Messung der Temperatur verwendet man oft die Gradskala nach Celsius, welche mit 0°C und 100°C am Schmelz- bzw. Siedepunkt reinen Wassers unter Standardatmosphärenbedingungen festgelegt wurde. In der Physik wird gerne die absolutere Kelvinskala benutzt, welche mit 0 Kelvin auf die Temperatur geeicht wurde, bei welcher die Brown’sche Molekularbewegung zum Stillstand kommt. 0 Kelvin entspricht -273,15° Celsius.

Aus den Hauptsätzen der Thermodynamik und den Gasgesetzen ergibt sich, dass sich ein Gas unter Kompression erwärmt. Die von außen auf das Gas einwirkende Kompression ist Volumenarbeit, durch welche sich die innere Energie des Gases erhöht. Diese Energie kann nicht verloren gehen, sondern muss in eine andere Form umgewandelt werden. In diesem Fall wird sie in die Molekularbewegung des Gases umgesetzt. Die Folge ist eine Erhöhung der Temperatur. Bleibt hingegen die Temperatur konstant und ändert sich nur das Volumen oder der Druck, so ist diese Zustandsänderung isotherm.

Bei chemischen Prozessen ist die Temperatur ein wichtiger Faktor zur Steuerung der Produktausbeute. Insbesondere Gasphasenprozesse, bei deren Ablauf selbst Wärme freigesetzt wird und bei denen sich die Molekülanzahl und somit die Druckverhältnisse verändern, ist eine Steuerung mit konstanter Temperatur notwendig. Ein gutes Beispiel ist die Ammoniaksynthese im Haber-Bosch-Verfahren. Bei dieser Reaktion verbinden sich Wasserstoff und Stickstoff bei hohem Druck und hoher Temperatur zu Ammoniak. Auf der Produktseite verringert sich die Molekülanzahl, weil sich ein Molekül Stickstoff mit drei Molekülen Wasserstoff zu zwei Molekülen Ammoniak verbinden. In der Folge – und weil das Ammoniak aus dem Prozess entfernt wird – sinkt der Druck und die Temperatur im Reaktionsbehälter, wodurch sich die Effizienz der Reaktion verringert. Die fehlende Gasmenge muss durch Zuführung neuen Stickstoffs und Wasserstoffs ausgeglichen werden. Zugleich ist die Ammoniaksynthese eine exotherme Reaktion, bei deren Ablauf Wärme freigesetzt wird. Zwischen der Zufuhr neuer Reaktionsgase, durch deren Kompression im Behälter Wärme entsteht und der Reaktionswärme ist ein sorgfältig gesteuerter Ausgleich notwendig, um die Reaktion fortlaufend unter isothermen und für die Produktion optimalen Bedingungen ablaufen zu lassen.

Für Gase ebenfalls relevant ist die Aufnahmefähigkeit von Wasser und deren Abhängigkeit von der Temperatur. Warme Luft kann viel mehr Wasser aufnehmen als kalte Luft. Entsteht in einem chemischen oder physikalischen Prozess Gas mit hoher Feuchtigkeit, so ist bei der Regulierung auf isotherme Temperaturverhältnisse zu achten. Andernfalls kann bei einem Absinken der Temperatur die Feuchtigkeit als flüssiges Wasser kondensieren. Erfolgt diese Kondensation in ungünstigen Bereichen des Systems, so kann Korrosion oder eine Verstopfung von Leitungen die Folge sein. Größere Anlagen benötigen Vorrichtungen zur Abscheidung des Kondenswassers, welches zusätzlich mit Öl aus dem Kompressor belastet sein kann und gesondert entsorgt werden muss.

In der Meteorologie ist eine Isotherme eine Linie, mit welcher man Zonen gleicher Lufttemperatur kenntlich macht.