VT1

1. Stationärer Zustand: keine Veränderungen im zeitlichen Verlauf

2. stationärer stochastischer Prozess: schwankt um einen Wert, welcher jedoch konstant ist

3. Instationärer Prozess: Prozess ändert sich mit der Zeit.

■ Längenmessung

■ Auslitern: Der Körper wird mit Sand oder Wasser gefüllt, dessen Menge anschließend in einem bekannten Gefäß bestimmt wird; somit lässt sich bei Gefäßen das Volumen ihres Innenraumes bestimmen.

■ Wiegen: Bei einem Körper mit einer bekannten Dichte lässt sich das Volumen auch erwiegen.

Der Begriff Temperatur kommt aus dem Lateinischen temperare = mischen, mildern, sich mäßigen. Der Mensch empfindet Temperaturen als heiß (Sonne) oder kalt (Eis). Die Temperatur ist eine physikalische Größe, die den Wärmezustand eines Stoffes oder eines thermodynamischen Systems beschreibt.

Ausnutzung einer Eigenschaft E eines Systems, dass sich in eindeutiger Weise mit der Temperatur ändert. z.B. Flüssigkeitsthermometer Temperatur führt zu einer definierten Änderung des Volumens bei konstantem Druck.

Verbindet man zwei Drähte aus unterschiedlich leitenden Materialien jeweils an den beiden Enden und eine dieser Verbindungsstellen hat eine andere Temperatur als die andere, dann entsteht dazwischen eine Spannungsdifferenz → Dieser Effekt wird zur Temperaturmessung benutzt. Diese Elemente bezeichnet man als Thermoelement

Elektrischer Widerstand von Metallen oder Halbleitern = f(T)

■ Bei extrem hohen Temperaturen einsetzbar (bis zu 1700°C)

■ Unempfindlichkeit gegenüber Stoß- und Vibrationsbelastungen

■ Kleine Größe

■ schnelle Ansprechrate (nahezu sofort an)

■ Punkterfassung

■ Günstig

■ Großer Temperaturbereich (z.B. Watlow Platinfühler von –200°C bis +650°C)

■ Wiederholbarkeit und Beständigkeit (Produktionsschwankungen von bis zu 0,0025°C pro Jahr möglich)

■ Hohe Ausgabeleistung - stärkeres Signal

■ Hohe Linearität der Temperaturmessung

■ Geringere Kosten für die Systemverdrahtung

■ Bereichserfassung (kann über einen größeren Bereich messen mit einem größeren Widerstand)

■ Dampfdruckthermometer (Zusammenhang zwischen Dampfdruck einer Flüssigkeit und der absoluten Temperatur – Clausius-Clapeyron-Gleichung)

■ Temperatursensoren (z. B. als Heißleiter-Widerstand; auch in integrierten Schaltkreisen mit direkt verarbeitbarem temperatur-proportionalem elektrischem Signal)

■ Flüssigkristall-Thermometer (z. B. als Weinflaschenthermometer) beruhen auf den thermochromen Eigenschaften von Flüssigkristallen

■ Gasthermometer (Auswertung einer Druckmessung)

■ Ramanthermometer basierend auf der Ramanspektroskopie, benutzen einen frequenzstabilen Messstrahl und werten dessen Rückstreuung aus. Sie können ortsaufgelöst entlang einer Dimension messen.

■ Strahlungsthermometer (Pyrometer) messen anhand der Wärmestrahlung des Messobjektes.

Zur Beschreibung von Prozessabläufen und Maschinen oder Teile von Maschinen werden thermodynamische Systeme festgelegt

->Abgrenzung eines thermodynamischen Systems durch eine Kontrollgrenze

->Systemgrenze:

• Kontrolle der Energie- und Massenströme, die das System mit der Umgebung oder anderen Systemen austauscht

• Kann willkürlich gezogen werden (orientiert sich an der konkreten Problemstellung)

auch Ähnlichkeitskennzahl oder Kenngröße Dimensionslose Kennzahlen werden in der Ähnlichkeitstheorie verwendet.

Bei gleichem dimensionslosen mathematischen Modell eines physikalischen Zustands oder Prozesses kann dieser in unterschiedlichen Größen beschrieben werden.

→ Grundlage für den Scale-up in der Thermodynmamik und der Strömungslehre.

Wasser ist...

• unentbehrlich für praktisch alle Lebensformen auf der Erde

• wichtigstes Lösungsmittel (biologisch und in der Technik)

• wichtigster Wärmeüberträger (biologisch und in der Technik)

Es sind technische Prozesse, meist

1. zur Umwandlung von Wärme in Arbeit (z. B. in Verbrennungsmotoren) oder

2. zum Heizen und Kühlen durch Aufwenden von Arbeit (Wärmepumpe, Kühlschrank).

Zufuhr von Wärme in ein thermodynamisches System

- Veränderung seiner inneren Energie

- System kann Arbeit verrichten

Verhältnis von:

• zugeführter Wärme

• verrichteter Arbeit hängt von der bei der Wärmezufuhr durchlaufenen Zustandsänderung ab.

Ein System, welches kontinuierlich Arbeit leisten soll, muss also regelmäßig wieder in seinen Ausgangszustand zurückgebracht werden

⇒ Nicht durch Umkehr der Wärmezufuhr im Prozess zu erreichen -> Arbeitsgewinn = 0

⇒ Rückkehr zum Ausgangszustand über andere Zustandsänderungen

⇒ Die unterschiedlichen Zustandsänderungen werden in einer geschlossen Folge hintereinander durchlaufen

• Liefert Nutzarbeit

• Nimmt Wärme auf

Beispiel: Wärmekraftmaschinen

• Zufuhr von Nutzarbeit

• Gibt Wärme ab

Beispiel: Kälteanlagen, Wärmepumpe

reversibler Kreisprozess mit ideales Gas als Arbeitsmedium

Kreisprozess als Ideal-Prozess zum Aufzeigen des maximal möglichen thermischen Wirkungsgrades einer thermischen Maschine (Bauart unabhängig)

Der Prozess arbeitet mit:

• zwei Isentropen und

• zwei Isothermen

Die Wärmeübertragung erfolgt bei konstanten Temperaturen:

• Wärmezufuhr bei der hohen Temperatur T3,

• Wärmeentzug bei der niedrigen Temperatur T1

Zustandsänderungen des Carnot-Prozesses

1 - 2: isotherme Kompression mit Wärmeabgabe

2 - 3: Isentrope Kompression

3 - 4: isotherme Expansion mit Wärmezufuhr

4 - 1: Isentrope Expansion

Der Carnot-Prozess wird in vier aufeinanderfolgenden reversiblen Teilschritten ausgeführt: ■isotherme Expansion bei hoher Temperatur (I),

■adiabatische Expansion unter Abkühlung auf (II),

■isotherme Kompression bei niedriger Temperatur (III),

■adiabatische Kompression mit Erwärmung auf (IV).

Die Medien haben die Temperaturen (heiß) und (kalt).

Welche Menge tödlich ist, hängt von der körperlichen Konstitution ab und ist individuell verschieden. Wer mehr Wasser aufnimmt, als er verloren hat und über die Nieren ausscheiden kann, bringt seinen Wasser-Elektrolyt-Haushalt durcheinander. Es kommt zu einem Verdünnungseffekt im Blut: Der Wasseranteil steigt, wodurch gleichzeitig die Salzkonzentration sinkt. Hyponatriämie nennt sich die verminderte Konzentration von Salzen, genauer Natrium, im Blut. Im umgebenden Gewebe bleibt die Natriumkonzentration allerdings gleich. Das Wasser möchte nun diesen Unterscheid ausgleichen und strömt in die Zellen der umliegenden Organe und Gewebe. Durch das einströmende Wasser schwellen die Zellen an oder platzen sogar – je nach Konzentrationsgefälle, Fassungsvermögen und Umgebung. Das Herz kann aus dem Rhythmus kommen, die Lunge sich mit Wasser füllen. Als Reaktion auf die verringerte Salzkonzentration im Körper streiken die Nieren: kein Urin, kein Salzverlust! Auch im Hirngewebe füllen sich die Zellen mit Wasser. Für das Gehirn ist die Überschwemmung besonders kritisch, denn der Schädel lässt keinen Platz zum Ausdehnen. Die Schwellung, ein Hirnödem, verursacht Kopfschmerzen, kann Schwindel, Erbrechen und Krämpfe auslösen – in schweren Fällen kommt es zum Koma oder sogar zum Tod.

• Hypotonisch

Osmotischer Druck niedriger als der des Blutes

 Schnelle Magenentleerung

 Schnelle Aufnahme durch den Körper

• Isotonisch

Osmotischer Druck identisch mit dem des Blutes

 Schnelle Magenentleerung

 Schnelle Aufnahme durch den Körper

• Hypertonisch

Osmotischer Druck höher als der des Blutes

 Langsame Magenentleerung

 Magensymptome

Fische in den Meeren trinken. Das Meerwasser ist salzhaltiger als die Körperflüssigkeit der Fische. Dadurch verlieren Fische, die im Meer leben, ständig Wasser über durchlässige Oberflächen an das umgebende Meerwasser, z. B. über die Kiemen. Dieser Vorgang heißt Osmose. Die Fische müssen den Wasserverlust ausgleichen: Sie haben Durst. Mit dem Maul nehmen sie viel Flüssigkeit auf, sie trinken Salzwasser. Im Körper entfernen sie die gelösten Salze aus dem getrunkenen Wasser und geben sie in Form  von stark salzhaltigem Urin oder durch spezielle Chlorid-Zellen in den Kiemen wieder an das Wasser ab.

Süßwasserfische trinken nicht. Die Konzentration gelöster Salze ist im Körper der Fische höher als im Wasser von Flüssen oder Seen. Daher nehmen Fische nach dem Prinzip der Osmose automatisch - und ungewollt - mehr Wasser auf als sie benötigen. Dieses überschüssige Wasser entfernen sie mittels eines hoch verdünnten Urins - sie „lassen Wasser”. Da hierbei jedoch auch Salze an das umgebende Wasser verloren gehen, nehmen sie - im Gegensatz zu Meeresfischen - an den Kiemen aktiv Salze auf.

Mit dem System der Osmose lassen sich in der Tier- und Pflanzenwelt übrigens eine Vielfalt an Prozessen verstehen. Sie läuft grundsätzlich immer nach dem gleichen Prinzip ab: Wenn zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Salzkonzentration durch eine semipermeable, also halbdurchlässige Wand, getrennt sind, vermischen sich beide Flüssigkeiten solange miteinander bis auf beiden Seiten der gleiche Salzgehalt vorhanden ist.

■ Vorschlag: Es wird nur der Anteil des Virtuellen Wassers berücksichtigt, das nicht-nachhaltig entnommen oder überkritisch verschmutzt wird. Folgende Vereinfachungen werden für einen ersten Schritt vereinbart:

1. Beschränkung auf landwirtschaftliche Produkte (70 % des Virt. Wassers)

2. Grünes Wasser aus Niederschlag (global ca. 80 %) wird nachhaltig genutzt, (unkritisch für Umwelt und Landwirt, kaum Opportunitätskosten)

3. Verschmutzungen werden zunächst vernachlässigt

4. Nicht-nachhaltige Wasserentnahme bedeutet, dass die in der Region (Bilanzraum) gespeicherte Wassermenge im langjährigen Mittel nicht konstant bleibt, sich z.B. der Grundwasserspiegel senkt

■ Hauptvorteil: Das modifizierte Konzept des nicht-nachhaltigen Virtuellen Wassers identifiziert sowohl für die Produzenten als auch für die Konsumenten diejenigen Bereiche, Regionen und Güter, bei denen eine Übernutzung der Ressource Wasser stattfindet und quantifiziert diese Übernutzung

Entfernen von Partikeln:

- Sedimentation

- Filtration

- Mikro- und Ultrafiltration

Entfernen von gelösten Stoffen:

- umgekehrte Osmose (RO)

- vielstufigeEntspannungsverdampfung (MSF)

Abtöten von Keimen:

- Oxidation

- UV-Bestrahlung

Entgegen der osmotischen Druckdifferenz wird mit Pumpen ein äußerer Druck angelegt und dadurch Wasser durch die semipermeable Membran gepresst.

RO-Module parallel = Kapazitätsvergrößerung

RO-Module in Serie = größere Reinheit

Prinzip: 1. Produkt liegt erwärmt im Behälter vor 2. Durch Vakuum wird Wasserdampf in der Gasphase angereichert 3. Wasserdampf kondensiert am Kondensor unter Volumenkontraktion 4. Es entsteht ein Massenstrom zum Kondensor 5. Verdampfungswärme wird dem Produkt im Behälter entnommen 6. Produkt kühlt durch Verdampfung ab

■ Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe durch die gleichmäßige Verteilung der beteiligten Teilchen.

■Teilchen:

 Atome,

 Moleküle oder

 Ladungsträger

■Stoffe

 meistens Gase und Flüssigkeiten

 weniger Feststoffe und Plasmen

Als Kreisprozess bezeichnet man in der Thermodynamik eine Folge von Zustandsänderungen eines Arbeitsmediums, die periodisch abläuft, wobei immer wieder der Ausgangszustand erreicht wird.

1. Takt:Ansaugen eines Luft-Benzin-Gemisches

2. Takt:Verdichtung des Gemisches

3. Takt:Verbrennung und Expansion der Verbrennungsgase

4. Takt:Herausschieben der Verbrennungsgase

Verdampfen / Eindampfen: Wasser aus der Umgebung wird entzogen Konzentration des Feststoffes steigt

1. Trocknungsabschnitt

Die Trocknungsfront zieht sich bis zur Oberfläche des Trocknungsgut zurück

2. Trocknungsabschnitt

Die Trocknungsfront ist im Produkt

3. Trocknungsabschnitt

Gebundenes Wasser wird getrocknet

1. Trocknungsabschnitt: dieser tritt am Anfang der Trocknung auf, wenn die Produktoberfläche "naß" ist, das Trocknungsgut verhält sich dann ähnlich wie eine Flüssigkeitsoberfläche (zum Beispiel tropfnasse Wäsche). Die Temperatur des Trocknungsguts ist niedrig und zeitkonstant (bei rein konvektiver Trocknung ist es die Kühlgrenztemperatur). Die Trocknungsgeschwindigkeit ist maximal, ebenfalls zeitkonstant und nur von den äußeren Randbedingungen (Luftgeschwindigkeit, Lufttemperatur, Luftfeuchte) abhängig.

2. Trocknungsabschnitt: die Trocknungsgeschwindigkeit verringert sich und die Gutstemperatur steigt. Das kann anschaulich durch das Modell eines "wandernden Trocknungsspiegels" erklärt werden. Eine trockene Zone, in der keine kapillare Flüssigkeitsleitung mehr stattfindet und/oder der Diffusionskoeffizient für den Dampftransport sehr gering ist, breitet sich von der Gutsoberfläche ausgehend aus. Diese Schicht stellt einen zunehmenden Widerstand für die Trocknung dar.

3. Trocknungsabschnitt: ist der letzte Tropfen Flüssigkeit im Inneren des Trocknungsguts verdunstet dann wird die Trocknung nur noch durch das sorptive Gleichgewicht zwischen Feststoff und Umgebungsluft bestimmt. Die Zeit, bis das Trocknungsgut durchgängig die Gleichgewichtsfeuchte angenommen hat, trocknet es bei weiter abnehmender Trocknungsgeschwindigkeit diffusionskontolliert in diesem letzten Abschnitt der Trocknungskurve.

Verdampfen

Wasser zum Sieden bringen (Energiezufuhr über Kontakt, Strahlung, dielektr. Wechselfeld, …)

Verdunsten

Mittels warmer Luft wird Wärme an Gut übertragen Luft kühlt sich ab und nimmt Wasserdampf auf

■ Wirbelschichttrocknung

■ Sprühtrocknung

■ Walzentrocknung

■ Fallfilmtrocknung

■ Gefriertrocknung

■ Vakuumtrocknung

Der Umluft - Trockenschrank ist nicht nur der beliebteste Trockner im Labor sondern er wird auch in der Produktion zum batchweisen Trocknen kleiner Mengen oder bei häufigem Chargenwechsel eingesetzt. Das Feuchtprodukt wird auf Bleche aufgegeben und in Horden - Wagen in den Schrank gefahren.

• Edukt: pastös - rieselfähig

• Betrieb: Batch

• Verweilzeit: Stunden

Auf Umluft - Bandtrocknern wird das Feuchtgut langsam durch mehrere, hintereinander angeordnete Trockenkammern gefahren. Es liegt dabei auf einem perforierten Band und wird von der Trocknungsluft (meist von oben nach unten) durchströmt. Die Trocknungszeit ist relativ lang und kann durch die oft kontinuierlich verstellbare Bandgeschwindigkeit beeinflußt werden. Der Bandtrockner ist deshalb für die mechanisch schonende Trocknung von groben Edukten geeignet, beispielsweise von Extrudaten. Bandtrockner können auch mehrere Etagen aufweisen, dann wird das Produkt auf das darunterliegende Band abgeworfen und dabei durchmischt.

• Edukt: grobkörnig oder stückig

• Betrieb: kontinuierlich

• Verweilzeit: Minuten bis Stunden

Drehrohrtrockner sind für hohe Durchsätze geeignet. Das Feuchtgut wird durch die Drehbewegung des Rohres durchmischt. Einbauten im Inneren des Rohres, z.B. Hubschaufeln, heben den Feststoff an und gewährleisten einen intensiven Kontakt mit dem Trocknungsgas, welches das Rohr im Gleich- oder Gegenstrom durchströmt. Als Trocknungsgas wird oft Brenner - Abgas mit einer sehr hohen Temperatur verwendet (direktbefeuerter Trockner). Der Trockner trocknet kostengünstig temperaturunempfindliche Produkte, z.B. anorganische Salze.

• Edukt: rieselfähig

• Betrieb: kontinuierlich - batch

• Verweilzeit: Minuten - Stunden

Beim Trocknen werden Strukturen „frei“ bzw. entstehen, welche so klein sind, dass Sie das Licht brechen können

Vorteile

■ Sehr schnelle Trocknung (in Bruchteilen einer Sekunde) durch den kleinen Tropfendurchmesser und die große Gesamtoberfläche des Sprühgutes; dadurch hervorragender Wärme- und Stoffübergang ins Trocknungsgas.

■ Aufgrund der großen Verdunstungskälte bei der hohen Trocknungsgeschwindigkeit bleibt die Tropfentemperatur weit unter der Temperatur des Trocknungsgases, was auch die Trocknung temperaturempfindlicher Substanzen (z. B. Peptide, Proteine) ermöglicht.

■ Als Endprodukt erhält man ein trockenes, frei fließendes Pulver mit relativ gleichmäßiger Partikelgröße, das sich entweder direkt als Arzneiform (z. B. Pulver zur Inhalation) oder zur Weiterverarbeitung (z. B. Tablettierung) eignet.

■ Die große Oberfläche des Pulvers gewährleistet eine schnelle Auflösung, was sich vorteilhaft auf die Bioverfügbarkeit schwer löslicher Arzneistoffe auswirken kann.

■ Der Prozess wird kontinuierlich betrieben und kann relativ einfach vom Labormaßstab auf den großindustriellen Maßstab übertragen werden.

Nachteile

■ Sprühtrocknungssysteme sind relativ teuer und beanspruchen vor allem bei der Verwendung im industriellen Maßstab viel Platz: Sprühtürme mit mehr als 10 m Höhe sind keine Seltenheit.

■ Der Wirkungsgrad (thermale Effizienz) der Sprühtrocknung ist relativ niedrig. Das liegt vor allem daran, dass das Trocknungsgas beim Verlassen der Trocknungskammer noch so warm sein muss, dass es nicht kondensiert. Zudem ist das Volumen des Trocknungsgases, das für den Betrieb der Sprühtrocknungsanlage erforderlich ist, wesentlich größer als das Volumen, das effektiv mit den Tropfen in Kontakt steht und damit unmittelbar zur Trocknung beiträgt.