Erläutern Sie die Begriffe Zustandsgröße und Prozessgröße und nennen Sie für jede Klasse zwei Beispiele.
Zustandsgröße
Eine Zustandsgröße beschreibt die Eigenschaft eines Systems.
Beispiel: innere Energie U (extensive Zustandsgröße), Temperatur T (intensive Zustandsgröße)
Prozessgröße
Eine Prozessgröße beschreibt eine Zustandsänderung als solche.
Beispiel: zugeführter Wärmestrom, abgeführte Leistung
Was versteht man unter einem reversiblen Prozess? Ist es möglich, dass bei einem solchen Prozess die Entropie eines geschlossenen Systems zunimmt?
Ein reversibler Prozess ist eine thermodynamische Zustandsänderung von Körpern, die jederzeit wieder umgekehrt ablaufen könnte, ohne das bleibende Änderungen entstehen.
Bei idealen reversiblen Prozessen wird keine Entropie erzeugt, folglich kann die Entropie nicht zunehmen.
In welcher unterschiedlichen Weise bilden sich Energien im T,s- und h,s-Diagramm ab.
Energien bilden sich im T,s-Diagramm als Fläche und im h,s-Diagramm als Strecke ab.
Was ist der Unterschied zwischen Temperatur und Wärme?
Während Temperatur eine Zustandsgröße ist und den Zustand des Systems beschreiben kann, ist Wärme eine Prozessgröße und dient der Energieübertragung.
Definieren Sie den Begriff Energie. Welche Einheiten sind Ihnen zur Messung der Energie bekannt?
Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten.
Einheiten: J, Nm, Ws, kWh
Definieren Sie die Begriffe
offenes System
geschlossenes System
adiabates System / abgeschlossenes System
offen: Massen- und Energiestrom möglich
geschlossen: Nur Energiestrom möglich
adiabat / abgeschlossen: Weder Energie noch Massenstrom
Wie errechnet sich die spezifische Energie im Nassdampfgebiet und woher bezieht man die notwendigen Größen?
Nennen Sie Zustandsgrößen und Prozessgrößen.
Zustandsgrößen: Energie, Volumen, Enthalpie, Teilchenanzahl, Stoffmenge, Masse, Molmasse
Prozessgrößen: Wärme, Arbeit
Definieren Sie Entropie mit Hilfe des zweiten Hauptsatzes.
Nennen Sie thermische und kalorische Zustandsgrößen.
Wie lautet der dritte Hauptsatz der Thermodynamik und wie weit ist er praktisch umsetzbar?
Definieren Sie den energetischen Wirkungsgrad.
Was versteht man unter einer polytropen Zustandsänderung?
Die Polytrope ist der verallgemeinerte Fall einer Zustandsänderung, bei der sich alle Zustandsgrößen ändern können.
Wie bezeichnet man die verschiedenen Zustandsgrößenänderungen?
Zeichnen Sie im T,s-Diagramm für Wasser das Nassdampfgebiet ein und eine Isobare, die durch das Nassdampfgebiet verläuft.
Was heißt isentrop?
Die Entropie des Systems ist konstant. Es gibt also keinen Wärmetausch mit der Umgebung und keine Reibungsverluste, was typisch für schnelle Zustandsänderungen ist. Ein adiabatisch reversibler Prozess ist immer auch isentrop, die Umkehrung gilt aber nicht.
Wie kann man am Diagramm eines Kreisprozesses erkennen, ob Arbeit gewonnen werden kann, oder Arbeit hineingesteckt werden muss?
Rechtsläufiger Prozess (im Uhrzeigersinn): Arbeit kann gewonnen werden
Linksläufiger Prozess: Arbeit muss investiert werden.
Warum ist die Kombination von Kältemaschine und Wärmepumpe in der Praxis besonders wirtschaftlich?
Weil die Abwärme der Kältemaschine für die Wärmepumpe genutzt werden kann (Wärmerückgewinnung).
Wie ist das Stufenverhältnis eines Verdichters definiert?
Ein Erfinder bietet einen Schiffsantrieb an, dessen Energie aus dem Meer entnommen werden soll. Begründen Sie Ihre Ablehnung.
Widerspruch zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (es ist kein Perpetuum Mobile zweiter Art möglich). Das liegt daran das die Wärme aus dem Ozean, welche man für den Antrieb des Schiffes verwenden könnte, aus reiner Anergie besteht.
Zeichnen Sie einen zweistufigen Verdichtungsvorgang mit Zwischenkühlung für ideales Gas im h,s_Diagramm inklusive der gesparten Arbeit, im p,v-Diagramm und im T,s-Diagramm.
Zeichnen Sie Isobaren und Nassdampfgebiet im h,s-Diagramm.
Was ist Drosselung bei technischen Prozessen? Was ist die thermodynamische Bedingung für eine adiabate Drossel?
In einem durch einen verschiebbaren Kolben verschlossenen Zylinder befindet sich ein ideales Gas. Widerspricht die Abnahme der Entropie bei einer Expansion dem zweiten Hauptsatz?
Nein, denn die Entropie kann zwar im Gesamtsystem nicht abnehmen, in Teilsystemen ist dies jedoch möglich.
Welche zwei Bedingungen sind für einen stationären Zustand maßgeblich?
Welcher Anteil einer Wärme Q, die bei der Temperatur T frei wird, lässt sich in jede andere Energieform umwandeln? Wie heißt dieser Anteil?
Erklären Sie folgende Begriffe:
thermodynamisches System
Phase
Komponente
Wie sind Dichte und spezifisches Volumen definiert?
Was versteht man unter der universellen Gaskonstante?
Die universelle, ideale, molare oder auch allgemeine Gaskonstante (Formelzeichen: R) ist das Produkt aus Avogadro-Konstante und Boltzmann-Konstante.
Was besagt der 0. Hauptsatz der Thermodynamik?
Wenn Körper A und B, sowie B und C in thermischem Gleichgewicht sind, so sind auch A und C im thermischen Gleichgewicht.
Warum ist das Volumen eine extensive thermodynamische Größe und die Dichte eine intensive thermodynamische Größe? Ordnen Sie die Ihnen bekannten thermodynamischen Größen den Begriffem extensiv und intensiv zu. Nennen Sie verschiedene spezifische Größen!
intensiv: können nicht additiv verknüpft werden (Druck, Temperatur)
extensiv: proportional zur Systemgröße (Masse, Volumen, Energie)
Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Masse eines Stoffes und der Molzahl des Stoffes?
Erklären Sie den Begriff “Thermisches Gleichgewicht”!
Es befindet sich im thermischen Gleichgewicht, wenn es durch einige wenige makroskopische Größen beschrieben werden kann und wenn sich diese Größen zeitlich nicht ändern.
Makroskopische Größen: Volumen, Druck und Temperatur
Was verstehen Sie unter innerer Energie und wie wird deren Änderung berechnet?
Einem Gas wird bei konstantem Volumen (geschlossenes System) Wärme zugeführt. Wie ändert sich die innere Energie?
Sie steigt.
Der thermische Wirkungsgrad einer Dampfkraftanlage ist im Winter höher als im Sommer. Wie kommt das?
Weil der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außentemperatur größer ist.
Spielt die Entropie bei Wärme oder Temperatur eine Rolle?
Entropie spielt nur bei der Wärme eine Rolle.
Zeichnen Sie das Schema einer Kompressionskältemaschine.
Wie ist die spezifische Wärmekapazität c im Zusammenhang mit der Erwärmung eines Stoffes definiert und wovon hängt sie ab?
Die spezifische Wärmekapazität gibt an, welche Wärmemenge einem Stoff pro Kilogramm zugeführt werden muss, um seine Temperatur um ein Kelvin zu erhöhen.
Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen Arbeit und technischer Arbeit
Während es sich bei der Volumenänderungsarbeit um eine einmalig am geschlossenen System verrichtete Arbeit handelt, wird die technische Arbeit kontinuierlich bzw. periodisch übertragen. Zur Volumenänderungsarbeit kommen dabei die Verschiebearbeiten am Ein- und Austritt des Systems hinzu.
Was versteht man unter Enthalpie und wie wird deren Änderung berechnet?
Wie ist die Enthalpie definiert und wie lautet der allgemeine Berechnungsansatz?
Die bei p = const. einem System zugeführte Wärme wird als Enthalpie H bezeichnet.
Wie lautet die allgemeine Formulierung des 2. Hauzptsatzes der Thermodynamik?
Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Erlebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist.
Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Erlebnis das Abkühlen eines Körpers und das Heben eines Gewichtes sind.
Zeichnen Sie eine Isobare, Isochore, Isotherme und Isentrope ins T,s-Diagramm.
Was heißt adiabat?
Ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung.
Welches ist der wesentliche Unterschied des h,s-Diagramms zum T,s-Diagramm und warum?
Erläutern Sie das Prinzip der Dampf-Kältemaschine anhand des T,s-Diagramms für den Vergleichsprozess!
Skizzieren Sie folgende Kreisprozesse: Carnot, Joule
Erläutern Sie die Begriffe gesättigter Dampf und Nassdampf.
Nennen Sie die SI-Einheit des Druckes und ihre Umwandlung in bar!
Nennen Sie die Zustandsgrößen für den Normzustand!
Nennen Sie die Zusammensetzung der Atmosphäre in Prozent.
Was ist bei idealen Gasen der Zusammenhang zwischen Molanteilen und Raumanteilen?
Skizzieren Sie den Temperatur-Zeitverlauf eines Reinstoffes bei der Erwärmung bis zur Gasphase. Benennen Sie Phasen und Punkte.
Wie lautet die Bedingung für eine quasistatische Zustandsänderung?
Eine langsame Änderung von Zuständen wird als quasistatischer Prozess bezeichnet. Das heißt Zwischenzustände eines Prozesses können durch Gleichgewichtszustände, z.B. Zustandsgleichungen, beschrieben werden.
Zeichnen Sie ein T,s-Diagramm Isothermen, Isobaren, Isochore und Isenthalpen inklusive Nassdampfgebiet ein.
Skizzieren Sie einen einfachen Rankine-Prozess (ohne Überhitzung) im p,v-Diagramm sowie im T,s-Diagramm!
Skizzieren Sie einen Rankine-Prozess mit Überhitzung im p,v-Diagramm sowie im T,s-Diagramm!
Zeichnen Sie in das h,s-Diagramm eines realen Gases den kritischem Punkt, die Phasengrenzkurve sowie den Verlauf der Isobaren, Isochoren und Isothermen im unkritischen Bereich!
Was ist Thermodynamik und was lehrt diese?
Eine Disziplin der Physik, welche Energie- und Stoffumwandlungen beschreibt.
Die Thermodynamik lehrt:
Energieformen zu unterscheiden
Energie zu bilanzieren
Die Grenzen der Umwandelbarkeit von einer Energieform in eine andere zu benennen, das heißt Energieformen mit Hilfe der Entropie zu bewerten
Die Mindestenergie zu benennen, die für einen Prozess erforderlich ist, und mit der tatsächlich eingebrachten Energie zu vergleichen (Wirkungsgrade, dissipierte Energie)
den energetischen Zustand für materielle Systeme mess- und berechenbar zu machen
Was sind die makroskopischen Größen?
Makroskopische Größen:
Druck p
Volumen V
Masse m
Welche Kräfte kann ein ruhendes Fluid aufnehmen und welche nicht?
Ein ruhendes Fluid kann nur Normalkräfte und Druckkräfte aufnehmen (keine Schub- und Zugkräfte).
Was ist eine Phase?
Eine Phase ist ein homogener Bereich eines Systems, in dem alle Ausgleichsvorgänge abgeschlossen sind und alle Zustandsgrößen an allen Orten den selben Wert annehmen.
Was sind extensive und intensive Zustandsgrößen? Nennen Sie Beispiele.
Extensive Zustandsgrößen: Eine Zustandsgröße, deren Wert sich bei einer gedachten Teilung des Systems als Summe der entsprechenden Zustandsgrößen der Teile ergibt, heißt extensive Zustandsgröße. Bsp: Volumen, Masse
Intensive Zustandsgrößen: Zustandsgrößen, die sich bei einer Systemteilung nicht additiv verhalten, heißen intensive Zustandsgrößen. Bsp: Dichte, spezifisches Volumen, Druck
Erläutern Sie die drei Eigenschaften des thermischen Gleichgewichts anhand der untenstehenden Grafik, welche aus den 3 Systemen A, B und C besteht.
Wie ist die Einheit der Temperatur, Kelvin, definiert?
Ein Kelvin ist die Änderung der thermodynamischen Temperatur, die eine Änderung der thermischen Energie kg*T um exakt 1,380649 x 10^-23 Joule (Boltzmann-Konstante) bewirkt.
Zeichnen Sie das p,v-Diagramm mit Nassdampfgebiet und Isothermen.
Zeichnen Sie ein p,T-Diagramm mit der Lage von Aggregatzuständen, Tripelpunkt und kritischem Punkt.
Was versteht man unter der inneren Energie eines Körpers?
Unter der inneren Energie eines Körpers versteht man die Summe
der kinetischen Energie der Translation und Rotation der Teilchen
der Energie der Schwingung und elektrischen Anregung der Teilchen
der potentiellen Energie der Wechselwirkung zwischen den Teilchen
Wie erhält man den Wert der inneren Energie?
Messungen der inneren Energie sind schwierig, dyher berechnet man innere Energien meistens mit Hilfe des 2. Hauptsatzes aus der thermischen Zustandsgleichung.
Welche drei Arten des Energietransports über die Systemgrenze gibt es?
Drei Arten des Energietransports über die Systemgrenze:
Mit Materie, die über Systemgrenze geht (nur bei offenen Systemen)
Verrichten von Arbeit (mechanisch oder elektrisch)
Übertragen von Wärme
Welche drei Arten von Arbeit gibt es in der Thermodynamik?
Volumenänderungsarbeit: Wirkt senkrecht, als Normalkraft, zu den Grenzen eines ruhenden Systems und erreicht damit eine Verschiebung der Systemgrenze, wodurch eine Volumenänderung resultiert.
Was gilt für einen elektrischen Widerstand im Bezug auf Arbeit?
Ein elektrischer Widerstand kann Arbeit nur aufnehmen, aber nicht abgeben. In einem Widerstand wird Arbeit dissipiert (dissipiert = umgewandelt, zerstreut).
Was ist Wärme?
Wärme ist Energie, die allein aufgrund eines Temperaturunterschiedes zwischen einem System und seiner Umgebung (Relation zwischen zwei Systemen) über die gemeinsame Systemgrenze übertragen wird.
Worin unterscheiden sich ideale Gase?
Zeichnen Sie den Übergang von flüssig nach Gasförmig in ein T,v-Diagramm. Was gilt in diesem Zusammenhang für die Verdampfung bei konstantem Druck?
Bei der Verdampfung unter konstantem Druck bleibt die Temperatur konstant.
Zeichnen und beschriften Sie die Dampfdruckkurve in das p,T-Diagramm.
Was gilt für den stationären Fließprozess?
Geben Sie Beispiele für instationäre Prozesse eines offenen Systems!
Befüllen/Entleeren von Behältern
Ein-/Ausschalten von Maschinen
Betreiben von Strömungsmaschinen mit variablem Massenstrom
Was für Annahmen gelten für instationäre Prozesse eines offenen Systems?
Was versteht man unter einem reversiblen bzw. irreversiblen Prozess?
Wie lautet der 2. Hauptsatz der Thermodynamik?
Was versteht man unter Entropie?
Entropie ist ein Maß für Unorndung (alles was Spaß macht erzeugt Entropie).
Die Entropie ist keine messbare Größe
—> Berechnung über Differentialbeziehungen aus messbaren Größen
Was ist eine Wärmekraftmaschine?
Eine Maschine die das Ziel hat, Wärme in mechanische Arbeit umzuwandeln. Allerdings verbietet der 2. HS die vollständige Umwandlung von Wärme in Arbeit. Zudem muss die zugeführte Entropie mit einem Abwärmestrom wieder abgegeben werden.
Zeichnen Sie eine Wärmezufuhr und Wärmeabgabe in das T,s-Diagramm.
Skizzieren Sie das T,s-Diagramm für Wasser.
Zeichnen Sie ein h,s-Diagramm mit Isobaren, Isothermen, Tau- und Siedelinie, den kritischen Punkt sowie den Verlauf des idealen Gases.
Was versteht man unter dem Clausius-Rankine-Prozess?
Prozess, der in einer Wärmekraftmaschine abläuft
Grundmuster für Prozesse in Dampfkraftanlagen/Kraftwerken
rechtsläufiger Kreisprozess mit zwei Isentropen und zwei Isobaren
führt durch das Nassdampfgebiet
Zeichnen Sie das Schema einer einfachen Dampfkraftanlage. Übertragen Sie das Prinzip in ein T,s- und ein h,s-Diagramm.
Zeichnen Sie den Temperatur-Entropie-Verlauf einer adiabaten Turbine in ein T,s-Diagramm.
Zeichnen Sie für eine adiabate Drosselung:
Enthalpie-Entropie-Verlauf in h,s-Diagramm
Temperatur-Entropie-Verlauf in T,s-Diagramm
Was besagen der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik bezüglich Energie?
HS: Bei allen Prozessen bleibt die Summe der daran beteiligten Energien konstant.
HS: Nicht alle Energieumwandlungen sind möglich
Wie sind Exergie und Anergie definiert? Nennen Sie zudem Beispiele für Anergie, Exergie und Mischformen.
Was sagen der 1. und 2. Hauptsatz bezüglich Anergie und Exergie aus?
Nennen Sie Beispiele für Exergiequellen.
Exergiequellen: Kohle, Öl, Erdgas
Stellen Sie eine Kompressionskältemaschine als schematische Darstellung und im T,s-Diagramm ein.
Zeichnen Sie die Dampfdruckkurve eines reinen Stoffes A und eines reinen Stoffes B in ein p,T-Diagramm ein. A sei der leicht siedende Stoff.
Wie nennt man ein System, dessen nur durch Zu- bzw. Abfuhr von Arbeit “W” verändert werden kann?
abgeschlossenes System:
—> kein Stofftransport (= geschlossen)
—> kein Wärmestorm (= adiabat)
Solare Strahlungsenergie soll in elektrische Energie umgewandelt werden. Geben Sie zwei mögliche Energieumwandlungsketten an und kennzeichnen Sie die auftretenden Energiefromen.
Eine siedende Flüssigkeit wird isotherm um Δp entspannt. Zeichnen Sie diese Änderung für einen Reinstoff in ein p,T-Diagramm, ein p,v-Diagramm sowie in ein T,s-Diagramm ein.
Ein ideales Gas wird von 1 bar auf 5 bar isotherm verdichtet. Wie ändert sich hierbei die spezifische Enthalpie bei konstanten c_p?
Die spezifische Enthalpie idealer Gase hängt nur von der Temperatur ab. Auf einer Isothermen ändert sich diese also nicht.
Schreiben Sie die Massen-, Energie- und Entropiebilanz für ein instationäres, adiabates, offenes System auf.
Zeichnen Sie das Anlageschema einer Kompressionswärmepumpe und erläutern Sie die Funktionsweise.
Das flüssige Kältemittel nimmt zunächst im Verdampfer Wärme auf und verdampft. Im darauffolgenden Verdichter wird das dampfförmige Kältemittelkompremiert, sodass Druck und Temperatur steigen. Im Kondensator wird die Energie an ein Trägermedium abgegeben und das Kältemittel kondensiert wieder. Im letzten Schritt wird das flüssige Kältemittel durch eine Drossel entspannt, bevor es erneut in den Verdampfer gelangt.
Erläutern Sie die Begriffe “thermische Zustandsgleichung” und “kalorische Zustandsgleichung”. geben Sie für beide Begriffe jeweils eine Beispielgleichung mit Gültigkeitsbereich an.
Thermische Zustandsgleichung: —> Gleichungen die den Zusammenhang zwischen Druck, spezifischem Volumen und Temperatur herstellen.
Beispiel: ideales Gasgesetz
Kalorische Zustandsgleichung: —> Gleichungen die den Zusammenhang zwischen spezifischer Enthalpie/Innerer Energie und Temperatur, Druck und spezifischen Volumen angeben.
Beispiel: h = cp * T (gültig für ideale Gase mit konstantem c_p)
Beschreiben Sie in wenigen, vollständigen Sätzen (keine Gleichungen!) die Aussagen des 1. und des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik.
Hauptsatz
Beschreibt die Energieerhaltung in thermodynamischen Systemen. Er sagt aus, dass Energien ineinander umwandelbar sind, aber nicht gebildet oder vernichtet werden können.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik trifft Aussagen über die Richtung von Prozessen und das Prinzip der Irreversibilität. Aus dem zweiten Hauptsatz lassen sich die Definition der thermodynamischen Temperatur und die Zustandsgröße Entropie herleiten.
Zeichnen Sie jeweils ein T,s-Diagramm und ein h,s-Diagramm mit Nassdampfgebiet und zwei Isobaren.
Wie sind die isochore und isobare spezifische Wärmekapazität definiert? Welche Vereinfachungen treten bei einem idealen Gas ein?
Isochore Wärmekapazität:
Bei isochoren Zustandsänderungen wird die zugeführte Wärmemenge komplett zur Erhöhung der Temperatur des Gases umgesetzt
Isobare Wärmekapazität:
Bei isobaren Prozessen muss Volumenarbeit verrichtet werden, da sich das Gas beim erwärmen ausdehnen muss, wenn der Druck konstant bleibt.
Vereinfachung bei idealen Gasen:
Ist nur von der Temperatur und nicht vom Druck abhängig
Zeichnen Sie das Anlagenschema einer einfachen Kompressions-Kältemaschine. Benennen Sie die Komponenten und tragen Sie den Prozess in ein T,s-Diagramm für das Arbeitsfluid ein.
Ein ideales Gas nimmt bei 20 °C und 150kPa das Volumen V = 2m^3 ein. Wie viele Moleküle (gerundeter Wert) hat es?
Lösung: p * V = n * R_m * T
Weisen Sie nach, dass bei der adiabaten Drosselung eines inkompressiblen Fluids seine Temperatur steigt.
Die Temperatur steigt durch Reibung des Fluids in der Drossel.
Nachweis:
Zeichnen Sie ein Diagramm, in welchem sich die Zusammensetzung der Flüssigkeits- und der Dampfphase eines siedenden binären Gemisches bei gegebener Termperatur T und gegebenem Druck p ablesen lassen.
Zeichnen Sie anhand der Energie- und Entropiebilanzgleichungen, wie die Antriebsleistung eines stationär arbeitenden Verdichters berechnet werden kann.
Kann die Entropie eines geschlossenen Systems abnehmen? Wenn ja, durch welchen Prozess?
Ja, kann sie.
Prozess —> Abfuhr Wärmestrom der geteilt durch die Abfuhrtemperatur größer ist als die irreversible Entropieänderung.
Welche Volumenänderungsarbeit gibt ein Gas ab, welches isobar bei 3 bar von 20l auf 50l expandiert? Kennzeichnen Sie diese Arbeit in einem p,V-Diagramm.
Wodurch ist ein reversibler Prozess definiert? Kann bei einem solchen Prozess die Entropie zunehmen?
Ein reversibler Prozess ist dadurch gekennzeichnet, dass das System wieder in den Anfangszustand gebracht werden kann, ohne das dabei Veränderungen in der Umgebung zurückbleiben.
Die Entropie kann dabei zunehmen.
Welcher Anteil eines Wärmestroms kann maximal in technische Leistung umgewandelt werden. Warum ist ein Abwärmestrom notwendig?
Es kann der Teil des Wärmestroms genutzt werden, der über der Umgebungstemperatur liegt.
Der Abwärmestrom ist notwendig, um die nicht nutzbare Wärme aus der Maschine zu entfernen.
Wie sind die spezifische isochore und isobare Wärmekapazität definiert? Welche Zusammenhänge gibt es für diese Größen für ideale Gase und inkompressible Fluide?
ideales Gas:
beide beschreibbar durch Funktionen
über Gaskonstante “R” verknüpft
inkompressibles Fluid:
beide nehmen den selben Wert an
Zeichnen Sie ein p,v-Diagramm. Kennzeichnen Sie den kritischen Punkt, das Nassdampfgebiet und eine unterkritische Isotherme. Wie stellt sich das Nassdampfgebiet in einem p,T-Diagramm dar?
Beschreiben Sie in wenigen, vollständigen Sätzen die Aussagen des ersten und des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.
HS: Energie kann nicht verloren gehen (Energieerhalt)
HS: Energieformen können nur bedingt ineinander umgewandelt werden (Bewertung mittels Entropie)
Welche Temperatur herrscht in einem idealen Gas, welches einen Druck von 2 bar und ein molares Volumen von 20,8 l/mol hat?
Benennen Sie die Möglichkeiten, die Entropie eines offenen Systems zu verändern.
—> Veränderungen am Massenstrom
—> Veränderter/zusätzlicher Wärmestrom
Beschreiben Sie die Eigenschaften eines inkompressiblen Fluids.
spezifisches Volumen ist konstant
spezifische isochore und isobare Wärmekapazität sind gleich
Zeichnen Sie ein p,v-Diagramm eines Reinstoffes und tragen Sie eine isotherme sowie eine isobare Zustandsänderung ein.
Ist in einem adiabten geschlossenen System ein stationärer Prozess möglich? Bitte begründen Sie ihre Antwort.
Ja, ist er. Beispielsweise kann elektrische Energie über die Systemgrenzen zugeführt werden und über eine Welle wieder abgeführt werden. Sofern dies zeitlich konstant ist, liegt ein stationärer Prozess vor.
Zeigen Sie an einer Dampfdruckkurve in einem p,T-Diagramm eines Reinstoffes, wie Sie dort die zu den Siederücken gehörigen Sättigungstemperaturen bestimmen können.
Geben Sie die Massenbilanzgleichung für den allgemeinen Fall an und benennen Sie zwei Sonderfälle.
Sonderfall 1: stationär (Differenzialquotient = 0)
Sonderfall 2: geschlossen (kein Massenstrom)
Eine reversibel arbeitende Wärmekraftmaschine nimmt einen Wärmestrom Q1 = 400kW bei T1 = 800K auf und gibt einen Wärmestrom von Q2 = 280kW ab. Berechnen Sie die Temperatur T2.
Benennen und erläutern Sie die Annahme, die dem Modellfluid “Ideales Gas” zugrunde liegt.
vollkommen elastische Stöße zwischen Teilchen —> kein Energieverlust bei Zusammenstößen
unendliche Ausdehnung Gas —> unendlich geringe Dichte
Zeigen Sie anhand der allgemeinen Entropiebilanzgleichung, wie ein adiabates System seine Entropie vermehren könnte.
—> Zufuhr Masse > Abfuhr Masse (instationär)
—> Entropie des abgeführten Massenstroms ist kleiner als die Entropie des zugeführten Massenstroms
Zeichnen Sie ein Anlagenschema eines einfachen Kältekreislaufprozesses und skizzieren Sie die Zustandsänderungen des Arbeitsfluids im T,s-Diagramm.
Nennen Sie drei Eigenschaften der Thermodynamischen Temperatur.
universelle Temperatur
definiert über die Boltzmann-Konstante
Nullpunkt kann nicht erreicht werden (3. HS)
Ein geschlossenes System durchläuft einen Prozess, bei dem seine innere Energie und Entropie konstant bleiben. Kann das System Energie als Wärme abgeben?
Ja, kann es. Nämlich wenn Arbeit zugeführt wird mit Q = W und die Wärme geteilt durch ihre Übergangstemperatur die irreversible Entropieänderung ausgleicht.
(1. und 2. Hauptsatz müssen erfüllt sein)
Ein ideales Gas wird adiabat verdichtet. Ist die Endtemperatur des Prozesses höher oder niedriger als die Endtemperatur bei reversibler, adiabater Verdichtung?
Höher, siehe Verdichter h,s-Diagramm.
Was besagt das Gesetz von Dalton?
Summe der Partialdrücke entspricht dem Gesamtdruck. Partialdruck = Druck der einzelnen Gaskomponenten.
Definieren Sie Exergie und Anergie.
Exergie = nutzbarer Teil der Energie, beispielsweise Leistung oder Teil des Wärmestroms über Umgebungstemperatur.
Anergie = nicht nutzbarer Teil der Energie, beispielsweise Teil des Wärmestroms auf Umgebungstemperatur oder darunter
Ein ideales Gas und eine inkompressible Flüssigkeit werden adiabat gedrosselt. Ist die jeweilige Temperatur nach der Drosselung höher oder niedriger? Begründen Sie!
ideales Gas: bleibt gleich da h = const —> T bleibt gleich
inkompressibles Fluid: höher, da Reibung
Zeichnen Sie das p,T-Diagramm eines reinen Stoffes, kennzeichnen Sie die Phasengebiete, den kritischen Punkt und den Tripelpunkt. Erläutern Sie die Bedeutung der beiden Punkte.
kritischer Punkt: nach diesem ist keine Beschreibung mit reinem Aggregatszustand möglich
Tripelpunkt: hier Punkt an dem flüssig, fest und gasförmig gleichzeitig vorliegt
Wie ist c_p definiert? Welche Vereinfachungen ergeben sich für ein ideales Gas?
Vereinfachung für ideales Gas: Differenz statt Ableitung
Zeichnen Sie die Dampfdruckkurve von Wasserdampf. Begründen Sie daran warum bei isothermer Verdichtung manchmal Wasser ausfallen kann.
Isotherme Verdichtung —> senkrechte Linie im p,T-Diagramm —> manchmal überschreiten der Taulinie —> Ausfall Wasser
Zeichnen Sie in ein Diagramm das Nassdampfgebiet ein! Geben Sie an welche Kombination von intensiven Zustandsgrößen sich für die Beschreibung eignet. Druck und Temperatur eignen sich nicht als Kombination von Zustandsgrößen. Begründen Sie warum dies so ist!
Temperatur ist im Nassdampfgebiet konstant —> Energie wird nicht in Erwärmung, sondern Verdampfung gesteckt.
Wie lautet die Isentropengleichung für ideale Gase?
Nennen Sie drei Eigenschaften der thermodynamischen Temperatur.
definiert über Boltzmann-Konstante
Nullpunkt kann nicht erreicht werden
Bei der Verbennung von H2S mit Luft entstehen:
H2O
SO2
Wie verhält sich Enthalpie im Nassdampfgebiet?
Die Enthalpie wächst linear mit x an.
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