Thermodynamik

Wärme- und Strömungstechnik II
Lehrbüche:
• Physik für schule und Beruf, Europa-Nr.: 71616 2007/2
• Kraft- und Arbeitmaschinen, Europa-Nr.: 10412 2008/15
• Grundlagen der Technischen Thermodynamik
Akademie-Verlag Berlin
Hilfsmaterialen:
• http://siva.banki.hu/~szakacs
Dr. -Ing. Tamás Szakács, PhD
Erste Themen: Wiederholung von Thermodynamik
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Grundlage der Thermodynamik
Zustandgleichungen.
Enthalpy.
Der erste und zweite Hauptsätze.
Grundlage der Thermodynamik
Die Thermodynamik (von altgriechisch thermós „Wärme“ sowie
dýnamis „Kraft“), auch als Wärmelehre bezeichnet, ist ein
Teilgebiet der klassischen Physik. Sie ist die Lehre der Energie, ihrer
Erscheinungsformen und ihrer Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.
(http://de.wikipedia.org/wiki/Thermodynamik).
Die Thermodynamik bringt Größen wie Energie, Wärme, geleistete
Arbeit, Druck und Volumen miteinander in Zusammenhang. Sie
erlaubt Aussagen darüber, welche Änderungen an einem System
möglich sind und erlaubt Angaben über die hierzu erforderlichen
Druck- und Temperaturbedingungen. Sie macht aber keine Aussagen
darüber, wie schnell die Prozesse ablaufen oder was dabei
mikroskopisch im einzelnen geschieht.
Zustandsgrößen:
Man nennt Druck, Temperatur, Volumen, Konzentration, usw.
Zustandsgrößen.
Zustandsgrößen sind durch eine Zustandsgleichung
verknüpft (z. B. ideales und reales Gasgesetz). Es genügt die
Kenntnis der thermodynamischen Zustandsgleichung, um
aus einigen Zustandsgrößen (z. B. Druck, Volumen) andere
Zustandsgrößen (z. B. Temperatur) berechnen zu können.
Intensive und extensive Zustandsgrößen:
Eine intensive Größe ist eine Zustandsgröße, die sich bei
unterschiedlicher Größe des betrachteten Systems nicht ändert.
Man unterscheidet hierbei systemeigene intensive Größen, wie
beispielsweise Temperatur und Druck, und stoffeigene intensive
Größen, wie alle molaren und spezifischen Größen reiner Stoffe.
Das Gegenstück zu den intensiven Größen sind die extensiven
Größen, wie beispielsweise Teilchenzahl, Volumen und Entropie,
welche sich mit der Größe des Systems ändern (Skalierung). Das
System wird also Volumen- und Massenmäßig (+andere Größen)
vergrößert oder verkleinert.
Das thermodynamisches System:
Ein thermodynamisches System ist ein räumlich eingegrenzt
betrachtetes physikalisches System, für das eine Energiebilanz – beim
offenen System zusammen mit einer Stoffbilanz – erstellt werden kann.
Man unterscheidet offene, geschlossene und abgeschlossene (oder
isolierte) Systeme.
Bei einem offenen System bezieht man zusätzlich die Umgebung (z.
B. bei Wärmeabstrahlung, Materieaustausch) mit ein.
Als geschlossen ( abgeschlossen!) ist ein System definiert, das zwar
Energie aber keine Materie mit seiner Umgebung austauschen kann.
Systeme, die mit einem hermetischen Verschluss vor einem
Stoffaustausch bewahrt sind, (hermetisch) geschlossene Systeme
bezeichnet.
Die Basis der Thermodynamik bilden vier Hauptsätze.
Die vier Hauptsätze:
1. Hauptsatz: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet,
sondern nur in andere Energiearten umgewandelt werden.
2. Hauptsatz: Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in
andere Energiearten umwandelbar.
3. Hauptsatz: Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist
unerreichbar.
0. Hauptsatz: Stehen zwei Systeme jeweils mit einem dritten im
thermodynamischen Gleichgewicht, so stehen sie auch
untereinander im Gleichgewicht.
1. Hauptsatz
1. Hauptsatz: Bilanz für das geschlossene thermodynamische
System
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist aus dem Satz der
Energieerhaltung abgeleitet: jedes System besitzt eine innere Energie
U (=extensive Zustandsgröße). Diese kann sich nur durch den Transport von
Energie in Form von Arbeit W und/oder Wärme Q über die Grenze des
Systems ändern, das heißt:
U  Q  W
Dabei ist W die Summe aus der Volumenarbeit und der im System
dissipierten Arbeit (z. B. Reibungsarbeit). Die Energie eines abgeschlossenen Systems bleibt unverändert. Verschiedene Energieformen
können sich demnach ineinander umwandeln, aber Energie kann
weder aus dem Nichts erzeugt noch kann sie vernichtet werden.
Deshalb ist ein Perpetuum Mobile erster Art unmöglich (kein
System verrichtet Arbeit ohne Zufuhr einer anderen Energieform
und/oder ohne Verringerung seiner inneren Energie).
Die 2. Hauptsatz
Die 2. Hauptsatz ermöglicht die Einführung der thermodynamischen
Entropie als Zustandsgröße zur numerischen und anschaulichen
Beschreibung von Prozessen (vergl. T-s-Diagramm) und auch die
Definition der thermodynamischen Temperatur.
Er schränkt die Aussage des ersten Hauptsatzes über die
Gleichwertigkeit von Wärme und Arbeit ein und ist damit eines der
Fundamente der Thermodynamik, wird aber im Rahmen dieser
Theorie nicht begründet.
Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik in der Formulierung von
Clausius lautet: Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges
Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf
einen Körper höherer Temperatur ist.
Die verschiedenen Aussagen
In der Formulierung von Clausius lautet:
Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die
Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen
Körper höherer Temperatur ist.
Einfacher ausgedrückt: Wärme kann nicht von selbst von einem
Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur
übergehen.
In der Formulierung von Kelvin und Planck lautet:
Es gibt keine Zustandsänderung, deren einzige Ergebnisse das
Abkühlen eines Körpers und das Heben eines Gewichtes sind.
Eine entsprechende Formulierung des zweiten Hauptsatzes lautet:
Ein Perpetuum mobile zweiter Art ist unmöglich.
Die Entropie
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Jeder Körper erhält Entropie
Entropie kann zusammen mit Wärme von einen Körper auf einen
anderen übertragen werden
Entropie kann produziert aber niemals vernichtet werden.
übertragende Wärme
 T emperatur
e
übertragende Entropie
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Entropie hat Verbindung mit unumkehrbarkeit!
dQ
ds 
T