Zustand (Physik)

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Der Zustand eines physikalischen Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt umfasst im Rahmen eines physikalischen Teilgebietes die Gesamtheit aller Informationen, die zur vollständigen Beschreibung der momentanen Eigenschaften des Systems erforderlich sind, sofern sie nicht schon mit den unveränderlichen Eigenschaften des Systems festliegen.

Beispiele
System Zustand
1. Ein Körper gegebener Masse
im Schwerefeld der Erde
Ort: 1 m über der Schwertspitze
des Bremer Roland,
Geschwindigkeit: 2 m/s nach Norden
2. 1 kg normale trockene Luft im
stabilen Gleichgewichtszustand
Volumen 1 m³,
Temperatur 300 K
(Der Druck ist dann durch
die Zustandsgleichung gegeben.)
3. Wasserstoffatom 2s-Niveau
4. Ein Teilchen ohne Spin
im -Potential
Grundzustand

Der Zustand eines Systems, das der Beobachtung zugänglich ist, legt insbesondere alle beobachtbaren Eigenschaften fest und gestattet damit Voraussagen über alle Messwerte beobachtbarer physikalischer Größen. Sind diese Größen durch Gleichungen verknüpft (z. B. Zustandsgleichung in der Thermodynamik), genügt es, eine geeignete Auswahl dieser Größen anzugeben, um den Zustand eindeutig festzulegen. Im engeren Sinn wird unter Zustand daher eine Mindestzahl physikalischer Größen verstanden, aus denen sich mit Kenntnis der Systemeigenschaften alle weiteren beobachtbaren Größen berechnen lassen. (So ergibt sich im 2. Beispiel der obigen Tabelle aus der Kenntnis von Volumen und Temperatur etwa der Druck aus der Zustandsgleichung für normale trockene Luft.)

Existiert für ein System eine Bewegungsgleichung (z. B. 2. Newtonsches Axiom im 1. Beispiel, zeitabhängige Schrödingergleichung im 4.), kann man mit ihrer Hilfe aus den mit dem Zustand gegebenen momentanen Eigenschaften des Systems ermitteln, wie der Zustand sich verändert. Sofern weitere Einzelheiten aus der Vorgeschichte des Systems die weitere Entwicklung beeinflussen, muss die Definition des Zustands diese Informationen mit umfassen.

Ein physikalisches System kann in verschiedenen Zuständen vorliegen. In einem mathematischen Modell für ein physikalisches System wird die Menge der möglichen Zustände als Zustandsraum des Systems bezeichnet; in der klassischen Mechanik auch als Phasenraum. Nimmt das Objekt mit fortschreitender Zeit eine Reihe verschiedener Zustände an, durchläuft es einen Prozess.

Je nach Teilgebiet der Physik kommen unterschiedliche Zustandsdefinitionen zur Anwendung:

  • Klassische Mechanik des Massepunktes: Der Zustand ist gegeben durch Ort und Impuls.
  • Klassische Mechanik des Starren Körpers: Der Zustand ist gegeben durch Ort und Impuls des Schwerpunkts, die Orientierung des Körpers und seinen Drehimpuls um den Schwerpunkt.
  • Klassische Statistische Mechanik vieler Massenpunkte: Der Zustand (genauer: der Mikrozustand) ist gegeben durch Ort und Impuls jedes einzelnen Massepunkts.
  • Thermodynamik: Der Zustand ist gegeben durch eine Auswahl makroskopischer Größen (wie Volumen, Druck, Temperatur, innere Energie, Magnetisierung, …), aus denen sich mit Hilfe der Zustandsgleichung des Systems alle weiteren makroskopischen Größen berechnen lassen.
  • physikalische Chemie: Der Zustand ist gegeben durch die Zustandsgrößen der Thermodynamik sowie die Massenanteile verschiedener Stoffe.
  • Elektromagnetisches Feld: Der Zustand ist gegeben durch die elektrische und magnetische Feldstärke an jedem Ort sowie ihre zeitlichen Ableitungen.
  • Quantenmechanik: Der Zustand ist gegeben durch den Zustandsvektor (z. B. in Gestalt der Wellenfunktion). Siehe auch Zustand (Quantenmechanik).
  • Quantenstatistik: Der Zustand des Teilchensystems ist gegeben durch die Besetzungszahlen sämtlicher möglicher Einteilchenzustände. Siehe ebenfalls Zustand (Quantenmechanik).

Im Unterschied zur Quantenmechanik liegt in der klassischen Physik der momentane Zustand schon unmittelbar vor der Messung fest und wird durch die Messung nur „registriert“, während in der Quantenphysik der Zustand i.a. erst durch die Messung „präpariert“ wird, wobei komplizierte Wahrscheinlichkeitsaussagen gelten.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]