Thermodynamik I - (ITV), RWTH Aachen University

Thermodynamik I Kapitel 1 Einführung und Allgemeine Grundlagen Prof. Dr.-­‐Ing. Heinz Pitsch Thermodynamik •  Das Wort Thermodynamik kommt aus dem Griechischen: therme (Wärme) und dynamis (KraE) •  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 2 Energie •  Nachfrage nach Energie besRmmt unser Leben in substanReller Weise Ø  Verkehr und Elektrizität Ø  LuEverschmutzung Ø  Globale Erwärmung 3 DOE’s InternaRonal 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% 4 Treibhausgas-­‐Emissionen •  85% der Treibhausgas-­‐
Emissionen sind CO2 EPA Inventory of US Greenhouse Gas Emissions, 2006
5 Quellen von CO2 Der Verbrauch fossiler Brennstoffe ist beteiligt an •  95% der CO2-­‐
Emissionen •  80% aller Treibhausgas-­‐ Emissionen 6 RedukRon von Treibhausgas-­‐Emissionen •  Verschiedene AlternaRven -  zum Beispiel •  Wasserstoff-­‐WirtschaE •  CO2-­‐SequestraRon (Carbon Capture and Storage, CCS) •  Biobrennstoffe •  Effizienzsteigerung Thermodynamik 7 Beispiel: Motoren •  Moderner Dieselmotor •  Trotz erheblich höheren Verkehrsauiommens deutlich reduzierter Rußausstoß 8 Beispiel: Brennstoffzellen •  PEM Brennstoffzelle •  TheoreRsch sehr hoher thermischer Wirkungsgrad 9 Beispiel: Gasturbinen •  Brennkammer eines Praj & Whitney 6000 Flugtriebwerks •  Sicherheit hat höchste Priorität 10 Historische Beispiele: Dampiochtopf von 1681 Wasserpumpe von 1663 11 Thomas Newcomen •  Frühe Dampfmaschinen mit Wassereinspritzung zur KondensaRon des Dampfes im Zylinder •  Atmosphärische Dampfmaschine → Kolbenrückbewegung durch den LuEdruck •  Einsatz als Pumpen in Bergwerken um 1712 •  Wirkungsgrad unter 1% 12 James Waj (1736 – 1819) •  Verbesserung der atmosphärischen Dampfmaschine von Newcomen •  KondensaRon des Dampfes in einem separaten Behälter, dem Kondensator •  Kolbenbewegung in beide Richtungen durch Dampfdruck angetrieben •  Patent 1769 •  Wirkungsgrad Wajscher Dampfmaschinen bis 3% 13 Historische Einordnung •  James Waj •  Sadi Carnot • 
• 
• 
• 
James Joule Rudolf Clausius William Rankine William Thomson (Lord Kelvin) (1736 – 1819) (1796 – 1838) (1818 – 1889) (1822 – 1888) (1820 – 1872) (1824 – 1907) •  Ludwig Boltzmann (1844 – 1906) •  Max Planck •  Albert Einstein
(1858 – 1947) (1879 – 1955) 14
Thermodynamisches Gerät •  Beispiel: Ball •  Formen der Energie -  PotenRelle Energie -  KineRsche Energie -  Spannungsenergie •  Energie bleibt erhalten! •  1. Hauptsatz der Thermodynamik 15 •  Beispiel: WärmekraEmaschine •  Wohin geht die Energie? •  Was kann man mit dieser Energie anfangen? •  Kann man den Prozess umkehren? •  EnergietransformaRonen beeinflussen Qualität der Energie •  Energie charakterisiert durch Qualität •  2. Hauptsatz der Thermodynamik ← Entropie 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 Grundgesetze der Energie-­‐ und Stoffumwandlungen, Springer Verlag Mit Schwerpunkt auf den theore?schen Grundlagen •  Schnakenberg, J., Thermodynamik und staRsRsche 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 17 OrganisaRon •  Vorlesung: Prof. Heinz Pitsch -  InsRtut für Technische Verbrennung, Templergraben 64, 2. Etage •  Übung: Do 12:15 Uhr, Herr Cai •  Selbstrechenübung: Fr 14:15 Uhr, Herr Cai, Herr Dr. Binninger •  Note: Klausur + Bonuspunkte 18
Bonussystem •  Abgabe einer häuslichen Ausarbeitung der Aufgaben der Selbstrechenübung innerhalb einer Woche •  Korrektur und Bewertung durch den Lehrstuhl innerhalb einer Woche •  Lehrstuhl führt ein Punktekonto für jeden Studierenden •  Anrechnung der Punkte als Bonus für Klausur •  Nur bei Erreichung von min. 50% der möglichen Punkte •  Nur bei der dem Semester unmijelbar folgenden Klausur •  100% der möglichen Punkte entsprechen zwei Notensprüngen (z.B. 3.7 à 3.0) 19 Kapitel 1, Teil 1: Übersicht 1 Allgemeine Grundlagen 1.1 Stoffe und Stoffumwandlungen 1.2 Energie 1.2.1 Formen und Energie 1.2.2 Innere Energie 1.3 Das thermodynamische System 1.4 Zustandsgrößen 1.5 Zustandspostulat 1.6 Die thermodynamische Betrachtungsweise 1.7 Prozess-­‐ und Zustandsänderungen 20 1. Allgemeine Grundlagen •  1.1 Stoffe und Stoffumwandlungen -  Reine Stoffe: Phasenänderung
flüssig – gasförmig, fest – flüssig, fest -­‐ gasförmig -  Gemische: Kaffee + Milch = Milchkaffee (typisches Beispiel für nichtumkehrbaren, irreversiblen Prozess) -  Chemische ReakRonen -  Verbrennung im KraEwerk: Steinkohle + LuE = Abgas + Asche + Wärme -  Brennstoffzelle: 21 + elektrischer Strom + Wärme 1.2 Energie •  1.2.1 Formen der Energie Energie ⇒ kineRsch potenRell elektrisch magneRsch makroskopisch → Äußere Energien Ea thermisch chemisch nuklear •  Gesamtenergie: 22 mikroskopisch → Innere Energie U 1.2.2 Innere Energie •  Innere Energie: Σ mikroskopischer Energien •  thermisch TranslaRon RotaRon Schwingung •  elektronisch •  chemisch •  nuklear •  latent 23 Kapitel 1, Teil 1: Übersicht 1 Allgemeine Grundlagen 1.1 Stoffe und Stoffumwandlungen 1.2 Energie 1.2.1 Formen und Energie 1.2.2 Innere Energie 1.3 Das thermodynamische System 1.4 Zustandsgrößen 1.5 Zustandspostulat 1.6 Die thermodynamische Betrachtungsweise 1.7 Prozess-­‐ und Zustandsänderungen 24 1.3 Das thermodynamische System •  Bereich auf den sich thermodynamische Analyse bezieht -  Klar abgegrenzt und definiert •  Wirkungen der Umgebung auf das System an den Systemgrenzen besRmmt -  Werden bei Systemanalyse berücksichRgt •  Massenbezogene Unterscheidung -  Geschlossene Systeme -  Offene Systeme 25 Beispiel: Gas im Zylinder mit beweglichem Kolben Geschlossene Systeme Beispiel: Gas im Zylinder mit •  Systemgrenzen undurchlässig für Materie beweglichem Kolben •  Volumen kann veränderlich sein •  Arbeit und Wärme dürfen über Systemgrenzen ausgetauscht werden Weitere EigenschaEen des geschlossenes Systems •  Enthält eine oder mehrere homogene Phasen •  Chemische ReakRonen im System sind möglich •  Systemgrenzen oE beweglich 26 Offene Systeme •  Systemgrenzen durchlässig für Materie •  mit oder ohne Wärme-­‐ und Arbeitsaustausch mit der Umgebung •  oE durchströmter Kontrollraum •  Volumen kann sich ändern Weitere EigenschaEen des offenen Systems •  Homogenität des Systeminhalt spielt keine Rolle •  Systeminhalt kann sehr komplex sein, nur der Stoff-­‐ und Energieübergang an den Grenzen wird betrachtet •  Systemgrenzen oE aber nicht notwendig ortsfest 27 Abgeschlossene oder isolierte Systeme •  Vollkommen abgeschniKen von der Umgebung •  Keine Massen-­‐ oder Energieflüsse über Systemgrenzen •  Wie geschlossenes Systeme, aber zusätzlich •  kein Wärmeaustausch → adiabat und •  kein Austausch von Arbeit über die Systemgrenzen 28 Beispiel: LuEpumpe •  Betrachtet wird das Gas innerhalb der rot gestrichelten Systemgrenze! .
.
•  Massenstrom m
•  Wärmestrom Q 29 Im Gleichgewicht: Druck = KraE/Fläche Beispiel 1 für offenes System: Turboverdichter •  Zuführung elektrischer Arbeit •  KonRnuierliche Verdichtung des Massenstroms durch Kompressorschaufeln 30 1.4 Zustandsgrößen •  Physikalischen Größen, EigenschaEen eines Systems •  Klassische thermodynamische Betrachtungsweise •  Systeme makroskopischer Abmessungen werden betrachtet •  Es interessieren nicht Koordinaten und Geschwindigkeiten aller einzelnen Gasteilchen im System wie in der → staRsRschen Mechanik •  Globale Größen wie Volumen V, Druck p, Temperatur T und die Masse m sowie die Zusammensetzung des System reichen zur Beschreibung aus → Zustandsgrößen •  Unterscheidung von Zustandsgrößen •  Extensiv •  Intensiv 31 Extensive Zustandsgrößen •  Extensive Zustandsgrößen •  Zustandsgrößen die sich bei gedachter Teilung des Systems als Summe der Zustandsgrößen der Einzelteile ergeben •  Messen die Größe eines Systems •  Einfache Beispiele sind Masse, Volumen und Energie •  Für n Teilsysteme gilt also 32 Intensive Zustandsgrößen •  Intensive Zustandsgrößen •  Zustandsgrößen die sich bei gedachter Teilung eines homogenen Systems gleich bleiben •  Können an jedem Punkt des Raumes definiert werden, sie können räumlich variieren •  Beispiel: Druck p, Temperatur T, Dichte ρ, spezifisches Volumen v = 1/ρ
33 Extensive und intensive Zustandsgrößen •  Extensive Zustandsgrößen im homogenen System proporRonal zu Masse oder Stoffmenge •  Aus extensiven Zustandsgrößen werden intensive Zustandsgrößen durch Bezug auf entsprechende Masse oder Stoffmenge •  Massenbezogene Zustandsgrößen heißen spezifische Zustandsgrößen •  Stoffmengenbezogene Zustandsgrößen heißen → molare Zustandsgrößen •  Beispiele: •  spezifisches Volumen v = 1/ρ = V/m •  spezifische innere Energie u = U/m 34 1.5 Zustandspostulat •  Betrachtet wird ein einfaches, kompressibles System1) Zustandspostulat: Die Vorgabe von zwei unabhängigen intensiven Zustandsgrößen besRmmt eindeuRg alle anderen Zustandsgrößen •  Beispiel: Die Viskosität von Wasser sei η = 0,506 .10-­‐3 Ns/m, sein Brechungsindex n = 1,3289, dann ist die Dichte festgelegt zu ρ = 0,9981 g/cm3, die Temperatur zu 50 oC, der Druck … •  OE werden hierfür die Zustandsgrößen Druck p, Temperatur T oder spezifisches Volumen v verwendet 1) Ein einfaches System ist ein System ohne SchwerkräEe, elektrische, magneRsche oder andere äußere KräEe, auch kineRsche Energie oder Oberflächenspannung sind ausgeschlossen. In anderen Fällen sind weitere EigenschaEen, wie die Höhe im Schwerefeld bei der potenRellen Energie zu berücksichRgen. Kompressibel ist ein System ohne plasRsche Verformung 35 1.6 Die thermodynamische Betrachtungsweise •  Gleichgewichtszustände •  Aggregatzustände (fest, flüssig, …) werden als Phasen bezeichnet •  Homogener Zustand innerhalb einer Phase -  EigenschaEen wie Druck und Temperatur sind daher in einer Phase räumlich konstant •  Bei durchströmten Apparaten (z. B. Turboverdichter) ändert sich der Zustand innerhalb des Kontrollvolumens •  Räumliche Verteilung wird aber dann nicht betrachtet 36 Gleichgewicht •  Thermisches und mechanisches Gleichgewicht Thermisches Gleichgewicht Mechanisches Gleichgewicht •  Zwangsbedingungen verhindern vollständiges Gleichgewicht -  ArreRerungen verhindert Druckausgleich -  Adiabate Schichten verhindern Temperaturausgleich 37 1.7 Prozess-­‐ und Zustandsänderungen •  Thermodynamische Analyse behandelt Zustandsänderungen zwischen Gleichgewichtszuständen •  Üblicherweise werden quasi-­‐staRsche (d. h. hinreichend langsame) Zustandsänderungen behandelt •  Zwischenzustände werden als Quasi-­‐Gleichgewichtszustände angenommen 38 Beispiel: Kompression im Ojo-­‐Motor •  Annahme: Kompression so langsam, dass sie durch eine Serie von Gleichgewichtszuständen ausreichend genau approximiert werden kann. •  Beispiele wohldefinierter Prozesse: -  isotherm (konstante Temperatur: T = const) -  isobar (konstanter Druck: p = const) -  isochor (konstantes Volumen: v = const) -  isentrop (konstante Entropie: s = const oder pvk = const) -  polytrop (pvn = const) 39 Idealisierter Ojo-­‐Prozess •  Annahme: -  Ideales Gas, LuE als Arbeitsfluid -  Offenes System wird durch geschlossenes System ersetzt •  Ausschieben des heißen Abgases und Ansaugen des kalten Frischgases 4 → 1 wird durch Prozessschrij "Kühlen bei konstantem Volumen“ ersetzt 40 Beispiel: Ojo-­‐Prozess im p,V-­‐Diagramm V s s V Endzustand = Anfangszustand Kreisprozess 41