Thermodynamik

Systemgrenzen

Offene:

• Austausch von Energie und Materie mit der Umgebung

Geschlossene:

• Austausch nur von Energie mit der Umgebung

Abgeschlossene:

• Austausch weder von Energie noch Materie mit der Umgebung

Begrifflichkeiten

Zustand = Momentanaufnahme eines Systems

Prozess = Steht zwischen zwei Zuständen

Extensive Zustandsgrößen ( ändern sich wenn man das System teilt):

Intensiven Zustandsgrößen (ändert sich nicht wenn man das System teilt):

Grundprinzipien der thermodynamischen Anlyse von Systemen

Prinzip der Erhaltung der Masse

• Der Begriff der Masse ist aus der Mechanik bekannt und wird übernommen. Masse kann nicht verschwinden oder neu entstehen -relativistische Effekte können in technischen Betrachtungen ausgeschlossen werden!

Prinzip von der Erhaltung der Energie

• Energie kann nicht neu entstehen oder verschwinden, sondern nur in verschiedenen Erscheinungsformen - chemische, mechanische, thermische, elektrische Energie umgewandelt werden

  (=> 1. Hauptsatz der Thermodynamik).

Prinzip der Bewertung von Energieformen

• Der Umwandlung von Energieformen untereinander sind Grenzen gesetzt. Thermische Energie kann nicht kontinuierlich vollständig in sog. hochwertige mechanische oder elektrische Energie umgewandelt werden (2. Hauptsatz der Thermodynamik)

Heizwärme-Kraftwerk

Die chemische Energie des Brennstoffes wird in der Brennkammer in thermische Energie gewandelt. Diese wird in einer Turbine teilweise in mechanische und im Generator in elektrische Energie umgesetzt. Die verbleibende thermische Energie dient zur Aufheizung von Wasser (Heizwärme).

Beschreibung von Systemen

In den Gleichungen zur Beschreibung eines Systems wird das, was in das System hinein geht, als positive(+) Größe gezählt,

was raus geht, ist eine negative (-) Größe

Ideales Gasgesetzt

Zustandsgrößen

Isobar Der Druck ändert sich nicht. dp=0

Isotherm Die Temperatur ändert sich nicht. dT=0

Isochor Das Volumen ändert sich nicht dV=0

Isentrop Die Entropie ändert sich nicht. ds=0

Isenthalp Die Enthalpie ändert sich nicht. dh=0

Systeme beinhalten Materie und Energie.

Zustandsänderungen (p,V,T) können berechnet werden. Ein einfacher Ansatz ist das Verhalten der gasförmigen Materie als ideales Gas.

Zustandsänderung - Volumenänderung

eines geschlossenen Systems

Volumenverringerung = Kompression (Druckerhöhung)

Volumenvergrößerung = Expansion

(Druckerniedrigung)

Zustandsänderung – Isochores Aufheizen

eines Fluides

Die Zu- bzw. abgeführte Wärme bewirkt ausschließlich eine Änderung der inneren Energie des Fluides. Es wird keine mechanische Arbeit geleistet.

Zustandsänderung – Isobares Aufheizen eines idealen Gases führt zu einer Volumenvergrößerung

Die Zu- bzw. abgeführte Wärme bewirkt, dass eine Arbeit geleistet oder verbraucht wird.

Zustandsänderung – Isotherme Zustandsänderung

Die Zu- bzw. abgeführte Wärme bewirkt eine Volumenänderung und eine geleistete oder verbrauche Arbeit.

Reale Prozesse - Zustandänderungen

Allgemeiner Fall: Polytrope Zustandsänderung

p ⋅V^n = const.

Spezialfälle der polytropen Zustandsänderung

Begrifflichkeiten zur Charaktarisierung von Systemen und Zustandsgrößen

Homogenes System:

• ZG sind innerhalb der Systemgrenzen überall

  gleich (homogen = gleichartig).

Isotropie:

• Richtungsunabhängigkeit physikalischer Eigenschaften

Phase:

• homogener Bereich eines Systems definiert.

Heterogene Systeme:

• zwei- oder mehrphasige Systeme

Phasengrenze:

• Trennfläche zwischen Phasen, gekennzeichnet durch

  sprunghafte Änderung der Dichte ρ

Wann herrscht ein thermodynamisches Gleichgewicht?

Partialdruck - Daltonsches Gesetzt

Der Molenbruch xj gibt die Anzahl von Molekülen

nj im Verhältnis zur Gesamtzahl n an

Verhalten Realer Gase

Realgasfaktor bzw. Kompressionsfaktor Z

Kleiner Druck: Z=1

->keine Wechselwirkungen

Mittlerer Druck: Z<1

->leichter komprimierbar

Hoher Druck: Z>1

->schwerer komprimierbar

Volumenänderungsarbeit Wv

Geschlossenes System

Nutzarbeit Wn

• kostanten Umgebungsdruck

• konstanten Druck im System und Umgebung

Was versteht man unter Dissipationsarbeit und reversible Arbeit?

Teschnische Arbeit WT

offenes System

Allgemein:

Volumen unabhängig vom Druck:

Ableitung der Teschnischen Arbeit ergibt nach der Zeit die Leistung P

Enthalpie

Enthalpie H ist definiert als

H = U + p·V (bzw. h = u +p·v)

Die Enthalpie ist eine Zustandsfunktion

Änderung der Enthalpie bei isobaren Prozessen

dH = dU + d(pV)

dH= dU + pdV + Vdp

mit dU + pdV = dqp und dp = 0 folgt

dH = dqp

Verdichtungsarbeit des Idealen Gases bei isothermen Bedingungen dT = 0

Verdichtungsarbeit des Idealen Gases bei isobaren

Bedingungen, dp=0

Verhältnis Spezifische Wärme

Verdichtungsarbeit des Idealen Gases bei isochoren

Bedingungen, dV=0

Verdichtungsarbeit bei adiabater Zustandsänderung, dQ=0

Adiabate Zustandsänderung dQ = 0

Was gilt allgemein für Kreisprozesse?

Wärme-Kraft-Maschine

-> Wärme wird in ein System eingeführt, um eine Leistung zu gewinnen.

Vorteile:

• Arbeitsluid meißstens Wasser

• Ungiftig

• Hohe Wärmekapazität

• Hohe Verdampfungsenthalpie

• Viel Energie kann mit kleinen Massenströmen transportiert werden

• Turbien, Pumpen und Rohre können Preisgünstig ausgelegt werden

pV Diagramm -> rechtslaufend

Wärmestrom wird in das System eingebracht: ΣQ>0.

Das System leistet Arbeit: P<0

Kältemaschine oder Wärmepumpe

-> Leistung wird in ein System eingeführt, um einen Wärmestrom zu bewegen.

Merkmale:

• Arbeitsfluid = Kältemittel oder Gase

• Klimaschädigend, Gifitg und Persistenz

pV Diagramm -> links laufend

Wärmestrom wird dem System entzogen ΣQ<0

Leistung wird dem System zugeführt P>0

Dampf im Phasendiagramm

Wann ist Luftfeuchtigkeit zu erkennen?