Thermodynamik I - Institut für Technische Verbrennung

Thermodynamik I
H. Pitsch
Institut für Technische Verbrennung
Templergraben 64
1.0-1
Thermodynamik
• Das Wort Thermodynamik kommt aus dem Griechischen:
therme (Wärme) und dynamis (Kraft)
• Lehre der Energieumwandlungen z.B. Wärme in Arbeit
• C.P. Snow:
The lack of knowledge of the
second law of thermodynamics is equivalent
to never having read Shakespeare
1.0-2
Historische Beispiele:
Dampfkochtopf von 1681
Wasserpumpe von 1663
1.0-3
Thomas Newcomen
Frühe Dampfmaschinen mit Wassereinspritzung
zur Kondensation des Dampfes im Zylinder
atmosphärische Dampfmaschine →
Kolbenrückbewegung durch den Luftdruck
Einsatz als Pumpen in Bergwerken um 1712
Wirkungsgrad unter 1%
1.0-4
James Watt
Verbesserung der atmosphärischen
Dampfmaschine von Newcomen
Kondensation des Dampfes in einem separaten
Behälter, dem Kondensator
Kolbenbewegung in beide Richtungen durch
Dampfdruck angetrieben
Patent 1769
Wirkungsgrad Wattscher Dampfmaschinen
bis 3%
1.0-5
Geregelte Dampfmaschine von Watt
Fliehkraftregelung zur
Drehzahlbegrenzung
1.0-6
Energie
Nachfrage nach Energie bestimmt unser Leben in substantieller Weise
– Verkehr und Elektrizität
– Luftverschmutzung
– Globale Erwärmung
1.0-7
DOE’s International Energy Outlook 2006
Highlights:
•
Fossile Brennstoffe werden weiterhin einen
großen Anteil (85%) der weltweit genutzten
Energie liefern
•
Welt-Energie-Verbrauch wird voraussichtlich
von 2003 bis 2030 um 71% zunehmen
•
Erdöl bleibt die vorherrschende Energiequelle
•
Verkehr und Transport mit Anteil von ~ 25%
1.0-8
Treibhausgas-Emissionen
• 85% der TreibhausgasEmissionen sind CO2
EPA Inventory of US Greenhouse Gas Emissions, 2006
1.0-9
Quellen von CO2
Der Verbrauch fossiler Brennstoffe
ist beteiligt an
•
95% der CO2-Emissionen
•
80% aller TreibhausgasEmissionen
1.0-10
Reduktion von Treibhausgas-Emissionen
Verschiedene Alternativen
zum Beispiel
• Wasserstoff-Wirtschaft
• CO2-Sequestration (Carbon Capture and Storage, CCS)
• Biobrennstoffe
•
Effizienzsteigerung
Thermodynamik
1.0-11
Thermodynamisches Gerät
Beispiel: Ball
• Formen der Energie?
- Potentielle Energie
- Kinetische Energie
- Spannungsenergie
1. Hauptsatz der Thermodynamik
Energie bleibt erhalten!
1.0-12
Beispiel: Wärmekraftmaschine
•
Wohin geht die Energie?
•
Was kann man mit dieser
Energie anfangen?
•
Kann man den Prozess umkehren?
•
Energietransformationen beeinflussen Qualität der Energie
2. Hauptsatz der Thermodynamik
Energie charakterisiert durch Qualität ← Entropie
1.0-13
Beispiele:
Moderner Dieselmotor
Trotz erheblich höheren Verkehrsaufkommens deutlich reduzierter Rußausstoß.
1.0-14
Brennstoffzellen
1.0-15
Brennkammer eines Pratt & Whitney 6000 Flugtriebwerks
1.0-16
Literatur:
-
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
-
Lucas, K., Thermodynamik, die Grundgesetye der Energie- und Stoffumwandlungen,
Springer Verlag
mit Schwerpunkt auf den theoretischen Grundlagen
-
Schnakenberg, J., Thermodynamik und statistische Physik,
Carl-Grossmann-Verlag, Tübingen
Amerikanische Lehrbücher
Moran, J. M., Shapiro, H. N., Fundamentals of Thermodynamics, J. Wiley & Sons
-
Cengel, Y. A., Boles, M. A., Thermodynamics, McGrawHill
1.0-17
1. Allgemeine Grundlagen
1.1 Stoffe und 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
1.1-1
1.2 Energie
1.2.1 Formen der Energie
Energie ⇒ kinetisch
potentiell
elektrisch
magnetisch
makroskopisch
→ Äußere Energien Ea
thermisch
chemisch
mikroskopisch
nuklear
→ Innere Energie U
Gesamtenergie:
1.2-1
1.2.2 Innere Energie
Innere Energie: Σ mikroskopischer Energien
• thermisch
- Translation
- Rotation
- Schwingung
• elektronisch
• chemisch
• nuklear
• latent
1.2-2
1.3 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.
1.3-1
Definition von Systemen
Geschlossene Systeme
• Systemgrenzen undurchlässig für Materie
Beispiel: Gas im Zylinder mit
beweglichem Kolben
• Volumen kann veränderlich sein
• Arbeit und Wärme dürfen über die
Systemgrenzen ausgetauscht werden
Weitere Eigenschaften des geschlossenes Systems
- enthält eine oder mehrere homogene Phasen
- chemische Reaktionen im System sind möglich
- Systemgrenzen oft beweglich
1.3-2
Offene Systeme
•
Systemgrenzen durchlässig für Materie
•
mit oder ohne Wärme- und Arbeitsaustausch
mit der Umbebung
•
oft durchströmter Kontrollraum
•
Volumen kann sich ändern
Weitere Eigenschaften des geschlossenes Systems
- die Homogenität des Inhalts des Systems
spielt keine Rolle
- Systeminhalt kann sehr komplex sein,
nur der Stoff- und Energieübergang an den
Grenzen wird betrachtet
- Systemgrenzen oft aber nicht notwendig ortsfest
1.3-2
Abgeschlossene oder isolierte Systeme
Vollkommen abgeschnitten von der Umgebung*)
Für uns hier wie geschlossenes Systeme, aber zusätzlich
•
kein Wärmeaustausch → adiabat
und
•
kein Austausch von Arbeit über die Systemgrenzen
*) Gedankliche
Idealisierung eines realen Systems:
Es ist nicht möglich ein reales System vollkommen von der Umgebung zu isolieren.
Alle zur Isolation herangezogenen Materialien haben eine Wärmeleitfähigkeit, alle
Materialien erlauben den Durchgang von Strahlung und den Einfluss externer Kraftfelder.
1.3-3
Beispiel: Luftpumpe
Betrachtet wird das Gas innerhalb der rot gestrichelten Systemgrenze!
.
.
Wärmestrom Q
Massenstrom m
Im Gleichgewicht: Druck = Kraft/Fläche
1.3-4
Analyse der Zustandsänderung im geschlossenen System:
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 und ist eine charakteristische Größe für die Quantifizierung der Zustandsänderung:
1.3-5
Beispiel 1 für offenes System: 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.
1.3-6
Beispiel 2 für offenes System: 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.
1.3-7
1.4. Zustandsgrößen
Ein System ist Träger von Variablen oder physikalischen Größen, die seine
Eigenschaften kennzeichnen.
In der klassischen thermodynamischen Betrachtungsweise werden Systeme
makroskopischer Abmessungen betrachtet.
Es interessieren nicht die Koordinaten und Geschwindigkeiten aller einzelnen
Gasteilchen im System wie in der → statistischen Mechanik.
Daher kennzeichnet schon eine geringe Zahl von Variablen ein System.
Globale Größen wie Volumen, Druck, Temperatur und die Masse sowie die
Zusammensetzung des System reichen zur Beschreibung aus → Zustandsgrößen.
1.4-1
Extensive Zustandsgrößen
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 Beispiele sind Masse, Volumen und Energie.
Für n Teilsysteme gilt also
1.4-2
Intensive Zustandsgrößen
Zustandsgrößen, die bei einer gedachten Teilung eines homogenen Systems gleich
bleiben heißen → intensive Zustandsgrößen.
Intensive Zustandsgrößen können an jedem Punkt des Raumes definiert werden, sie
können räumlich variieren.
Beispiel: Druck p, Temperatur T, Dichte ρ, spezifisches Volumen v= 1/ρ
1.4-3
Intensive Zustandsgrößen sind von der Größe des homogenen Systems unabhängig.
Sie sind nicht additiv.
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.
Beispiele: spezifisches Volumen v = 1/ρ = V/m
spezifische innere Energie u = U/m
1.4-4
1.5 Zustandspostulat
Wir betrachten eine einfaches kompressibles System1).
Es gilt: Die Vorgabe von zwei unabhängigen intensiven Zustandsgrößen z1 und z2
bestimmt eindeutig alle anderen Zustandsgrößen:
Beispiel:
Die Viskosität von Wasser sei η = 0,506 .10-3 Ns/m, sein Brechungsindex n = 1,3289, dann
ist seine Dichte festgelegt zu ρ = 0,9981 g/cm3, seine Temperatur 50 oC, sein Druck …
Oft sind z1 und z2 zwei der drei Zustandsgrößen Druck p, Temperatur T oder
spezisches Volumen v.
1) Ein einfaches kompressibles System ist ein System ohne Schwerkräfte, elektrische, magnetische oder andere äußere
Kräfte, auch kinetische Energie oder Oberflächenspannung sind ausgeschlossen. In solchen Fällen sind weitere
Eigenschaften, wie zum Beispiel die Höhe im Schwerefeld bei der potentiellen Energie zu berücksichtigen.
1.5-1
1.6 Die thermodynamische Betrachtungsweise: Gleichgewichtszustände
-
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 räumlich
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
1.6-1
Beispiele:
Thermisches Gleichgewicht
Mechanisches Gleichgewicht
Die Arretierungen im linken Bild bzw. die adiabaten Schichten im rechten (Zwangsbedingungen)
behindern jeweils das vollständige Gleichgewicht, so dass es links nicht zum Druckausgleich,
rechts nicht zum Temperaturausgleich kommen kann.
1.6-2
1.7 Prozess- und Zustandsänderungen
- Die thermodynamische Analyse behandelt nicht Prozesse in ihrem zeitlichen und
örtlichen Verlauf, sondern nur Zustandsänderungen zwischen
Gleichgewichtszuständen
- Üblicherweise behandeln wir quasi-statische (d. h. hinreichend langsame)
Zustandsänderungen, für die alle Zwischenzustände als QuasiGleichgewichtszustände angenommen werden können.
- Ähnliches gilt für Mischung und Schadstoffbildung.
Beispiel einer nicht-quasi-statischenZustandsänderung:
Das ruckartigs Anfahren eines Kolbens würde im System eine Druckwelle
erzeugen, die zu einem inhomogenen Druckfeld führt und in ihren Details nur mit
strömungsmechanischen Methoden behandelt werden kann.
Beispiel: Stoßwelle über Zylinder
1.7-1
Bilder aus dem Film : Stoßwelle über Zylinder
1.7-2
Beispiel: Kompression im Otto-Motor
Annahme:
Die Kompression sei so langsam, dass sie
durch eine Serie von Gleichgewichtszuständen
ausreichend genau approximiert werden kann.
Beispiele wohldefinierter Prozesse:
• isotherm (konst. Temperatur: T = const)
• isobar (konstanter Druck: p = const)
• isochor (konstantes Volumen: v= const)
• isentrop (konstante Entropie: s = const oder pvk = const)
• polytrop (pvn = const)
1.7-3
Idealisierter Otto-Prozess
Annahme: ideales Gas, überwiegend Luft,
das offene System wird durch ein geschlossenes System ersetzt, so dass
das Ausschieben des heißen Abgases und das Ansaugen des kalten
Frischgases 4 →1 durch einen Prozessschritt
"Kühlen bei konstantem Volumen“ ersetzt wird.
1.7-4
Der Otto-Prozess im p,V-Diagramm
Endzustand = Anfangszustand
⇒
Kreisprozess
1.7-5