Ist die Exergie eines System von dessen Umgebung abhängig? erklären sie
Ja die Exergie ist von dessen Umgebung abhängig. Die Exergie beschreibt nämlich den Anteil eines Energiestroms der in einen Arbeitsstrom umgewandelt werden kann. Es kann lediglich die Differenz zur Umgebung als nutzbare Energie betrachtet werden.
Stellen Sie sich zwei geothermische Quellen vor, deren Energieentnahme als ungefähr gleich angenommen werden kann. Ist damit auch der Exergiestrom beider Quellen gleich?
Erklären sie
Nein. Es ist davon abhängig, wie hoch die Temperatur der Umgebung ist.
Müssen die Temperaturen in der Berechnung des Exergie-Anteils Absoluttemperaturen sein?
Ekrlären sie
Ja es müssen Absoluttemperaturen sein —> Temp in Kelvin
Die Entropie einer heißen Backkartoffel nimmt ab, während sie abkühlt – ist diese Aussage im Widerspruch zu dem Prinzip der stetig zunehmenden Entropie? Erklären Sie.
Nein. In diesem Fall betrachtet man nämlich die heiße Backkartoffel als ein System. Die restliche Entropie wird nämlich in Kombination mit einem Wärmestrom über die Systemgrenze in die Umgebung abgeführt. Somit steigt zwar die Entropie in der Umgebung, in der Backkartoffel sinkt diese allerdings.
Ist es möglich Entropie zur erzeugen und ist es möglich sie zu vernichten?
Ja man kann Entropie erzeugen. Bei allen irreversiblen Prozessen wird Entropie erzeugt. Allerdings ist es nicht möglich Entropie zu vernichten.
Eine wassergekühlte Kolben-Zylinder-Einheit enthält Gas. Während eines Verdichtungsprozesses, welcher von Reibung begleitet ist, wird die Entropie des Gases (niemals, manchmal, immer) zunehmen. Erklären und diskutieren Sie.
Die Entropie des Systems sollte aufgrund des Anstiegs der thermischen Energie, die sich aufgrund der Reibung erhöht, ebenfalls zunehmen. Da allerdings das System wassergekühlt ist, und somit davon ausgegangen werden kann, dass ein Energiestrom über die Systemgrenze aufgrund eines Temperaturgefälles stattfindet (Wärme), kann man sich auch sicher sein, dass es einen Entropiestrom gibt. Sollte die Wasserkühlung effizient genug sein, um das Gas auf einer konstanten Temperatur zu halten, kann die entstandene Entropie des Systems in Kombination mit einem Wärmestrom aus dem System geführt werden.
Jemand behauptet, dass die Entropie eines Systems während eines Wärmeübertragungsprozesses immer zunimmt. Erklären und diskutieren Sie.
Kommt es zu einem Wärmeübertragungsprozess, wodurch sich die thermische Energie eines Systems erhöht, erhöht sich auch die Entropie des Systems. Das liegt daran, dass ein Wärmestrom immer mit einem Entropiestrom gekoppelt ist.
Ist der Betrieb einer WKM ohne Abgabe von Abwärme an ein Niedertemperaturreservoir möglich? erklären sie
Nein das ist nicht möglich. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Summe des abgeführten Wärmestroms und des elektrischen Arbeitsstroms genau so groß sein muss, wie der zugeführte Wärmestrom.
Da der zugeführte Wärmestrom jedoch zum Teil aus Anergie besteht, ein elektrischer Arbeitsstrom jedoch zu 100 % aus Exergie besteht und Anergie niemals vernichtet werden kann, muss die Anergie irgendwo hin abgeführt werden. Dies ist nur möglich in dem die Abwärme an ein Niedertemperaturreservoir abgeführt wird.
Gemäß dem Prinzip von Thomson ist dies ebenfalls als unmöglich definiert: Es ist unmöglich für ein System einen thermodynamischen Kreisprozess umzusetzen, der einen Netto-Arbeitsstrom an die Umgebung abgibt während es einen äquivalenten Wärmestrom aus einem thermischen Reservoir (Wärmequelle bei der sich die Temperatur durch betrachtetes System nicht ändert) bezieht.
Was sind typische Merkmale aller WKM?
Wärmekraftmaschinen sind Kreisprozesse, die zur Erzeugung eines Arbeitsstroms dienen. Sie nehmen einen Wärmestrom aus einem Hochtemperaturreservoir auf, nutzen einen Teil der vorhandenen Exergie, um daraus einen Arbeitsstrom zu generieren, und versuchen möglichst wenig Exergie mit der restlichen Anergie in Form von Abwärme an ein Niedertemperaturreservoir abzugeben.
Der thermische Wirkungsgrad einer irreversiblen WKM ist immer niedriger als der einer reversiblen.
Alle reversiblen WKM haben den gleichen Wirkungsgrad.
Wie stehen Exergie, Anergie und Energie zueinander in Beziehung?
Energie ist der Oberbegriff. Sie definiert die Summe von Exergie und Anergie.
Exergie ist die Energie eines Systems, die in einen Arbeitsstrom umgewandelt werden kann, wenn das System in einen Gleichgewichtszustand mit seiner Umgebung gebracht wird. Also ist der Exergieanteil von dem Zustand der Umgebung abhängig.
Anergie ist der restliche Teil der Energie. Ein Anergiestrom kann niemals in einen Exergiestrom gewandelt werden. Somit kann Anergie niemals vernichtet werden und wird durch irreversible Prozesse immer größer.
Das in dem Kurs eingeführte „Hühnerbrühe-Diagramm“ ist als ein Werkzeug zu betrachten. Erklären Sie sehr präzise, wozu dieses Werkzeug eingesetzt werden kann und was zur Anwendung gegeben sein muss.
Das Hühnerbrühe-Diagramm soll dazu diesen einen Wärmestrom in einen Exergie- und Anergiestrom aufzuteilen. Dafür ist es notwendig zu wissen, ob es sich erstmal um ein thermsiches Reservoir handelt oder ob die Temperatur des Systems bei Abgabe des Wärmestroms verändert. Des Weiteren muss die Umgebungstemperatur und die maximale Temperatur des Wärmestroms zu Beginn der Betrachtung bekannt sein.
Wie lautet die Kelvin-Planck-Form des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik?
Es ist unmöglich, einen Prozess zu konstruieren, der nur darauf abzielt, Wärme aus einer einzigen Wärmequelle vollständig in Arbeit umzuwandeln, ohne dabei einen Teil der Wärme an eine andere Wärmequelle abzugeben.
Verstößt eine WKm, die einen th. Wirkungsgrad von 100% hat notwendigerweise gegen den 1. und 2. HS der Thermodynamik?
Ja eine solche WKM würde zwangsläufig gegen den ersten Hauptsatz allerdings nicht gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßen. Der erste Hauptsatz besagt, dass keine Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann.
Der zweite Hauptsatz besagt, dass die Entropie eines Systems während jeder Energieumwandlung immer konstant bleibt (reversibel) oder zunimmt (irreversibel = real). Da jedoch eine gewisse Entropie in dem zugeführten Wärmestrom vorhanden ist, und diese nicht einfach in einen elektrischen Arbeitsstrom umgewandelt werden kann, widerspricht ein thermischer Wirkungsgrad von 100 % dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Selbst ein idealer Prozess, bei dem die Entropie gleichbleibt, kann der thermische Wirkungsgrad nicht 100 % sein.
Angenommen es gäbe keine Reibung oder andere Irreversibilität, kann in diesem Fall eine Wärmekraftmaschine einen thermischen Wirkungsgrad von 100 % haben?
Nein. Selbst dann kann der thermische Wirkungsgrad nicht 100 % sein. Die vorhandene Anergie in dem zugeführten Wärmestrom kann nicht in Exergie umgewandelt werden. Anergie kann niemals vernichtet werden. Somit muss mindestens die zugeführte Anergie des Wärmestroms auch in Form von Abwärme aus dem System geführt werden.
Der Carnot-Faktor und der Carnot-Wirkungsgrad können den gleichen Wert haben. Erklären Sie, warum es sich dennoch um sehr unterschiedliche Größen handeln kann.
Der Carnot-Faktor bezeichnet des Exergieanteil eines Wärmestroms. Der Carnot-Wirkungsgrad hingegen bezieht sich auf den optimalen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine. Bei dieser WKM wird die gesamte enthaltene Exergie des Wärmestroms in einen Arbeitsstrom umgewandelt.
Der Carnot-Faktor bezieht sich lediglich auf den Anergie- bzw. Exergieanteil eines Energiestroms. Es muss nicht zwangsläufig mit einer WKM in Verbindung gebracht werden. Der Carnot-Wirkungsgrad hingegen bezieht sich auf eine WKM und auf die optimale Nutzung des Exergiestroms.
Nennen Sie einige grundsätzliche irreversible Prozesse, die
a) in einem Automobilmotor
b) in einem Kühlschrank
c) in einer Gas-Therme
d) in einem elektrischen Wasserkocher vorkommen.
a) Wärmeübertragung des Automobilmotors an die Umgebung
b) Wärmeübertragung des Kühlschranks durch Transmission an die Umgebung oder Druckverluste der Kompression
c) Ebenfalls ungewollte Wärmeübertragung an die umliegende Umgebung
d) Wärmeübertragung durch Heizwiderstände an Umgebung
Eigentlich sind alle realen Prozesse irreversibel
Ein Erfinder behauptet, eine Maschine, basierend auf einem thermodynamischen Kreisprozess, entwickelt zu haben, die im thermischen Kontakt mit zwei thermischen Reservoirs steht. Das System bezieht Energie aus dem kalten Reservoir und gibt die Energie an das heiße Reservoir ab. Zusätzlich gibt das System einen Nettoarbeitsstrom an die Umgebung ab. Es gibt keine weiteren Energieströme zwischen der Umgebung und der Maschine. Nutzen Sie die Gesetze der Thermodynamik, um die Realisierbarkeit der Maschine zu diskutieren.
Das Ganze ist nicht realisierbar. Um thermische Energie aus einem kalten Reservoir in ein wärmeres Reservoir zu überführen, müsste ein Arbeitsstrom dem System hinzugeführt werden und nicht noch zusätzlich ein Nettoarbeitsstrom aus dem System an die Umgebung.
Spontan findet Wärme nämlich immer von einer heißeren Temperatur zu einer niederen Temperatur statt. Mit der Unterstützung eines Arbeitsstrom kann dies jedoch erzwungen werden.
Beschreiben Sie einen Prozess eines geschlossenen Systems, bei dem sowohl die Entropie des Systems als auch die der Umgebung ansteigt.
Zum Beispiel in einem nicht-adiabaten System, welches mittels eines Wärmestroms erhitzt wird. Erhitzt man z. B. einen Topf Wasser von 20 °C auf 70 °C, findet lediglich ein Wärmestrom statt, der hineingeht und ein Wärmestrom, der hinaus geht. Da der Wärmestrom, der hineingeht allerdings größer ist, steigt die Entropie des Systems, sowie die Entropie der Umgebung.
Wie kann Entropie in ein geschlossenes System übertragen werden, bzw. wie kann Entropie aus einem System abgeführt werde.
Entropie kann mittels eines Wärmestroms übertragen werden. Ein Entropie- und ein Wärmestrom treten immer gekoppelt auf.
Wenn Sie von dem Begriff der „Energieknappheit“ in den Nachrichten hören, ist dann tatsächlich eine „Exergieknappheit“ gemeint?
Ja es sollte eher Exergieknappheit heißen. Exergie ist die für den Menschen interessante Energieform. Denn eine wirkliche Energieknappheit kann es, wie im ersten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben, niemals geben, da Energie nicht zerstört werden kann.
Was passiert mit der zur Bewegung gehörenden Exergie, wenn ein Auto zum Stillstand kommt?
Die Exergie, die in Form von kinetischer Energie im fahrenden Auto gespeichert ist, geht mittels eines Wärmestroms (durch Reibung an den Bremsen) aus dem System verloren.
Kann die Änderung der Entropie eines geschlossenen Systems während eines irreversiblen Prozesses 0 betragen?
Die Berechnung der Entropieänderung eines Systems besagt lediglich, dass der transportierte Entropie-Strom über die Systemgrenze lediglich genauso groß zu sein hat, wie die produzierte Entropie im System. In einem geschlossenen System kann die Entropie lediglich in Kombination mit einem Wärmestrom aus dem System geführt werden. Erfolgt dies so effizient, dass der Entropiestrom aus dem System über die Systemgrenze genauso groß ist, wie die produzierte Entropie im System, so kann die Änderung im System gleich null sein.
Erklären Sie die Problematik der Exergie-Berechnung bei Abkühlungsprozessen. Wie wird dieses Problem gelöst?
Bei Abkühlungsprozessen nimmt der Exergieanteil des Energiestroms über die Systemgrenze kontinuierlich ab, da sich das System stetig abkühlt und somit immer mehr einem Gleichgewichtszustand mit der Umgebung näherkommt. Um dies in der Berechnung zu lösen, wird eine thermodynamische Mitteltemperatur eingeführt. Diese kann auf zwei Arten berechnet werden
1) Die exakte:
2) Die grobe
Gelegentlich ist es erforderlich, den Exergie-Inhalt von Massen und Massenströmen zu berechnen, ohne dass es in der Betrachtung einen Wärmestrom gibt, der analysiert werden könnte. Wie kann man sich in diesem Fall behelfen?
Bei Massenströmen in offenen Systemen muss man den abgegebenen Exergiestrom des Massenstroms über die thermodynamische Mitteltemperatur und der Enthalpiedifferenz berechnen.
Ex = Fc * mdot * (h2-h1)
Was muss bei der Darstellung mittels Sankey-Diagramme beachtet werden, um die Konformität mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik sicherzustellen?
Die Summe der abgeführten Energieströme muss genauso groß sein wie die Summe der zugeführten Energieströme.
Wie kann man aus dem Sankey-Diagramm einer Wärmekraftmaschine dessen Wirkungsgrad ermitteln?
Man hat den el.Arbeitsstrom am Ende durch den zugeführten Wärmestrom am Anfang zu teilen
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