Thermodynamik I - Institut für Technische Verbrennung

Thermodynamik I
für den Studiengang
Computational Engineering Science
N. Peters
Institut für Technische Verbrennung
Templergraben 64
Thermodynamik
Das Wort Thermodynamik kommt
aus dem Griechischen:
therme (Wärme) und
dynamis (Kraft).
Geregelte Dampfmaschine von Watt
Moderner Dieselmotor
Literatur:
-
Lucas, K., Thermodynamik. Die Grundgesetze der Energie- und
Stoffumwandlung, 3. Auflage, Springer-Verlag,
Berlin-Heidelberg-New York
-
Bosnjakovic F., Knoche K. F.; Technische Thermodynamik Teil I und II
8. Auflage, Steinkopf Darmstadt
-
Baehr, H. D., Thermodynamik. Grundlagen und technische
Anwendungen, 11. Auflage, Springer-Verlag,
Berlin-Heidelberg-New York
mit Schwerpunkt auf den theoretischen Grundlagen
-
Schnakenberg, J., Thermodynamik und statistische Physik,
Carl-Grossmann-Verlag, Tübingen
1.
Allgemeine Grundlagen
1.1 Energie- und Stoffumwandlungen
1.2 Thermodynamische Analyse
2.
Fluide Phase
2.1 Die thermischen Zustandsgrößen
2.2 Reinstoffe
2.3 Stoffmodelle für Reinstoffe
2.4 Stoffmodelle für Gemische
2.5 Gemische
3.
Massenbilanz
Inhalt von Thermodynamik I
0.1
4.
Die Energiebilanz
4.1 Mechanische Formen der Energie
4.2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik
4.3 Verschiedene Formen des 1. Hauptsatzes
4.4 Die spezifischen Wärmekapazitäten
4.5 Innere Energie und Enthalpie
4.6 Instationäre Prozesse
4.7 Quasistatische Zustandsänderungen in geschlossenen Systemen
4.8 Kreisprozesse
5.
Entropie, 2. Hauptsatz der Thermodynamik
5.1 Irreversible und reversible Prozesse
5.2 Eine neue Zustandsgröße: die Entropie
5.3 Entropie und Entropieproduktion, Entropiebilanz
5.4 Entropie und Ordnung
Inhalt von Thermodynamik I
0.2
5.5 Nassdampfgebiet
5.6 Gasgemische
5.7 Exergie
6.
Energieumwandlungen als reversible und nichtreversible Prozesse
6.1 Reversibel-isotherme Prozesse
6.2 Reversibel-adiabate Prozesse
6.3 Entropie und Entropieproduktion, Entropiebilanz
6.4 Entropie und Ordnung
Inhalt von Thermodynamik I
0.3
1.
Allgemeine Grundlagen
1.1 Energie- und Stoffumwandlungen
1.1.1 Energieumwandlungen
Energie wird genutzt als
- Wärme
z. B. Raumheizung, Prozesswärme in der Industrie
- Mechanische Arbeit
z. B. Antrieb von Fahrzeugen
Energieumwandlungen sind nicht symmetrisch!
Beispiele:
- Arbeit kann vollständig in Wärme umgesetzt werden
- Wärme kann niemals vollständig in Arbeit umgesetzt werden
1.1-1
1.1.2 Stoffumwandlungen
-
Reine Stoffe: Phasenänderung
flüssig – gasförmig, fest – flüssig,
fest - gasförmig
-
Mischung:
Kaffee + Milch = Milchkaffee
(typisches Beispiel für einen
nichtumkehrbaren, irreversiblen Prozess)
-
Mischung und Phasenübergang:
-
Chemische Reaktionen
Verbrennung im Kraftwerk:
Brennstoffzelle:
Salz + Eis = Salzwasser + Eis
Steinkohle + Luft = Abgas + Asche + Wärme
+ elektrischer Strom + Wärme
1.1-2
1.1.3 Energie- und Stoffumwandlungen in technischen Prozessen
Kraftwerk:
-
Verbrennung liefert Wärme
-
Wärme bewirkt Verdampfung von Wasser zu Dampf
-
Dampfturbine liefert elektrische Energie
Ammoniakfabrik:
N2 + 3 H2 = 2 NH3
-
Reformer spaltet 2 H2O zu 2 H2 + O2
-
Luftzerlegung trennt N2 von O2
-
Synthesereaktion liefert NH3
-
Prozess benötigt Wärme als Heißdampf
1.1-3
Verbrennungsmotor:
- Verbrennung von Kraftstoff mit Luft liefert Gas bei hohem Druck
- Druck setzt Kolben in Bewegung
- Kurbelwelle wandelt Translations- in Rotationsenergie um
1.1-4
1.1.4 Allgemeine Schlussfolgerungen
Erhaltung der Masse
-
Rohstoffe liefern Produkte und Abfallstoffe.
-
Neben der Gesamtmasse bleiben bei chemischen Umwandlungen auch die
Teilmassen der chemischen Elemente erhalten.
Erhaltung der Energie
-
Zugeführte Energie (z. B. chemische Energie) wird in Wärme, Arbeit und
Abwärme (z. B. über Kühlturm) umgewandelt.
-
Es gibt höherwertige Energieformen (chemisch gebundene Energie,
mechanische Arbeit) und minderwertige (Wärme).
-
Wärme kann nur unvollständig in Arbeit und chemisch gebundene
Energie umgewandelt werden.
1.1-5
1.2 Die thermodynamische Analyse
1.2.1 Das thermodynamische System
Ein Bereich des Raumes wird abgegrenzt,
auf diesen Bereich bezieht sich die thermodynamische Analyse.
Das System wird durch gedachte Systemgrenzen vom umgebenden Raum
abgetrennt und die Wirkungen der Umgebung auf das System an den
Systemgrenzen festgelegt.
Teile der Umgebung können als weitere Systeme hervorgehoben werden.
1.2-2
Beispiel 1: Luftpumpe
Betrachtet wird das Gas innerhalb der rot gestrichelten Systemgrenze!
.
.
Wärmestrom Q
Massenstrom m
Im Gleichgewicht: Druck = Kraft/Fläche
1.2-2
Beispiel:
Analyse des Zusammenhangs von Druck p und Volumen V bei der Zustandsänderung des
Systems von 1 nach 2 anhand des p,V-Diagramms. Es soll der Fall betrachtet werden, bei
dem die Öffnung der Luftpumpe zugehalten wird, also keine Masse austreten kann.
Die Fläche unter der Kurve (grau schraffiert) entspricht der dem Gas bei der Bewegung des
Kolbens (Volumenänderung) zugeführten Arbeit! Sie wird Volumenänderungsarbeit
genannt (siehe Abschn. 4.2) und ist eine charakteristische Größe für die Quantifizierung der
Zustandsänderung :
1.2-3
Beispiel 2: Turboverdichter
Kontinuierliche Verdichtung des Massenstroms
durch Kompressorschaufeln, die ihn unter
Zuführung von elektrischerArbeit in ein immer kleiner
werdendes Volumen drücken . Die pro Zeiteinheit
zugeführte Arbeit wird als Leistung bezeichnet P:
Nebenbedingung bei der Auslegung:
Axiale Geschwindigkeit in jeder Stufe gleich groß. Da
andererseits der Massenstrom durch die Anlage
konstant ist nimmt der Querschnitt zum Austritt hin ab.
1.2-4
Beispiel 3: Diffusor
Kontinuierliche Verlangsamung der
Strömungsgeschwindigkeit durch Querschnittserweiterung und damit Verdichtung des
Massenstroms auf einen höheren Druck.
Entnahme der Arbeit zum Verdichten aus der
kinetischen Energie der Strömung.
Der Diffusor ist eine besonders einfache
Vorrichtung zur Verdichtung, da keine bewegten
Teile nötig sind. Allerdings besteht die Gefahr
der Strömungsablösung von der Kontur, so dass
der gewünschte Effekt nicht zustande kommt.
1.2-5
Definition von Systemen
Geschlossene Systeme
Systemgrenzen undurchlässig für Materie, Volumen kann veränderlich sein,
Arbeit und Wärme dürfen über die Systemgrenzen ausgetauscht werden.
Abgeschlossene oder isolierte Systeme
Wie geschlossene Systeme, aber adiabat und kein Austausch von Arbeit
über die Systemgrenzen, das heißt gar kein Austausch mit der
Umgebung.
Offene Systeme
Systemgrenzen durchlässig für Materie, mit oder ohne Wärme- und
Arbeitsaustausch mit der Umbebung, oft mit räumlich festliegender
Bilanzhülle (durchströmter Kontrollraum).
1.2-6
1.2.2 Die thermodynamische Betrachtungsweise
-
In der Thermodynamik werden meist flüssige und gasförmige Substanzen
betrachtet, die als Arbeitsfluide eingesetzt sind.
-
Diese Aggregatzustände (fest, flüssig, …*)) werden als Phasen bezeichnet.
-
Die thermodynamische Betrachtungsweise setzt voraus, dass innerhalb einer Phase
ein homogener Zustand vorliegt.
-
Eigenschaften wie Druck und Temperatur in einer Phase werden als konstant
angenommen (Beispiel: Luftpumpe).
-
Bei durchströmten Apparaten (z. B. Turboverdichter oder Diffusor) ändert sich der
Zustand innerhalb des Kontrollvolumens. In diesen Fällen werden nur die
Eintritts- und Austrittsgrößen betrachtet.
*) Man kennt bisher 5 Aggregatzustände der Materie:
neben fest, flüssig, gasförmig, das Plasma und das Bose-Einstein-Kondensat
1.2-7
Zustandsgrößen
Ein System ist Träger von Variablen oder physikalischen Größen, die seine
Eigenschaften kennzeichnen.
In der thermodynamischen Betrachtungsweise werden Systeme
makroskopischer Abmessungen betrachtet.
Daher kennzeichnet schon eine geringe Zahl von Variablen ein System.
Es interessieren nicht die Koordinaten und Geschwindigkeiten aller einzelnen
Gasteilchen im System.
Globale Größen wie Volumen, Druck, Temperatur und die Masse im System
reichen zur Beschreibung aus → Zustandsgrößen .
1.2-8
Zustandsgrößen die sich bei einer gedachten Teilung des Systems als Summe der
Zustandsgrößen der Teile ergeben heißen → extensive Zustandsgrößen.
Extensive Zustandsgrößen messen die Größe eines Systems.
Einfache Beispiel sind Masse und Volumen.
Zustandsgrößen, die bei einer gedachten Teilung eines homogenen Systems gleich
bleiben heißen → intensive Zustandsgrößen.
Intensive Zustandsgrößen sind von der Größe des homogenen Systems unabhängig.
Deshalb werden aus extensiven Zustandsgrößen, wenn sie auf die im System
enthaltene Masse oder Stoffmenge bezogen sind zu intensiven Zustandsgrößen.
Massenbezogene Zustandsgrößen heißen → spezifische Zustandsgrößen,
auf die Stoffmenge bezogenen Zustandsgrößen heißen → molare Zustandsgrößen.
1.2-9
1.2.3 Prozess- und Zustandsänderungen
-
Die thermodynamische Analyse behandelt nicht Prozesse in ihrem zeitlichen
und örtlichen Verlauf, sondern nur Zustandsänderungen
-
Sie kann auch nur quasi-statische (d. h. hinreichend langsame)
Zustandsänderungen beschreiben. Z. B. das ruckartiges Anfahren eines
Kolbens würde im Zylinder eine Stoßwelle erzeugen, die zu einem
inhomogenen Druckfeld führt und nur mit strömungsmechanischen Methoden
behandelt werden kann.
Beispiel: Stoßwelle über Zylinder
-
Ähnliches gilt für Mischung und Schadstoffbildung.
1.2-10
Bilder: Stoßwelle über Zylinder
1.2-11