Thermodynamik der Energiesysteme (Leseprobe) 9783800732135

„Wahrzeichen der Thermodynamik sind ihre beiden Hauptsätze
und die von einem Hauch des Unerklärlichen umwehte Größe ENTROPIE.“
Albert Einstein (1879–1955)
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Angewandte technische Thermodynamik
Die Energie in ihren verschiedenen ineinander umwandelbaren Erscheinungsformen
stellt eine Verknüpfung zwischen allen in der Natur wie auch in der Technik ablaufenden Vorgängen dar [3].
Die Thermodynamik als allgemeine Energielehre hat ihre große Bedeutung in der
Energietechnik, wo Energieumwandlungen im Vordergrund stehen wie in Kraftwerken, Kolben- und Strömungsmaschinen, Wärmeübertragung, Kälte-, Klima- und
Heizungstechnik etc.
Das Fundament der Thermodynamik sind die „Hauptsätze“, in denen die Existenz und
Eigenschaften der Energie und der Entropie formuliert sind. Die beiden Hauptsätze
der Thermodynamik begründen die Energie- und Entropiebilanzgleichungen, die eine
zentrale Bedeutung in der Auslegung und „Bewertung“ von technischen wie natürlichen Prozessen haben. Der 1. Hauptsatz ist der Energieerhaltungssatz. Er besagt, dass
Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Energie ist wandelbar in ihren
verschiedenen Erscheinungsformen. Der 2. Hauptsatz formuliert die Grenzen der
Energiewandlung und beschreibt, welche Wandlungen überhaupt nur möglich sind.
Hauptaufgabe der technischen Thermodynamik ist nun die Untersuchung und Beschreibung der Energieumwandlungsprozesse. Sie zeigt die Grenzen im Wirkungsgrad
auf und ermöglicht mit ihren Gesetzen und Gleichungen den Vergleich der reversiblen
(umkehrbaren) Prozesse zu den irreversiblen (nichtumkehrbaren) Prozessen. Dadurch
wird die Güte der natürlichen (irreversiblen) Prozesse erkennbar.
In der Energieumwandlungskette zeigt sich sowohl der 1. Hauptsatz in der Erhaltung
der Energie als auch der 2. Hauptsatz durch die begrenzte Umwandelbarkeit der zugeführten Wärme in Arbeit [4].
Im zweiten Abschnitt werden die theoretischen Grundlagen nur kurz und insoweit
behandelt, dass mit den aufgezeigten Gleichungen und Kennzahlen die Gesetzmäßig-
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keiten sowie die Grenzen bei den Energie-Umwandlungs-Systemen bewertet werden
können.
2.1
Thermodynamische Systeme
Darunter versteht man ein materielles Gebilde in einem abgegrenzten Bereich, dessen
thermodynamische Eigenschaften untersucht werden sollen. Dieser Bereich ist durch
seine Systemgrenze von seiner Umgebung getrennt, und es können Materie, Arbeit
oder Wärme die Systemgrenze überschreiten.
Man unterscheidet dreierlei Systeme:
x „Abgeschlossene Systeme“ (isolierte) tauschen mit der Umgebung weder Energie noch Materie aus. Ein typisches Beispiel ist der Inhalt einer Thermoskanne
(Dewargefäß). In der Praxis lassen sich abgeschlossene Systeme allerdings nur
näherungsweise und auch nur vorübergehend verwirklichen. So erfolgt selbst bei
guter Wärmeisolierung ein allmählicher Übergang von Wärme zur Umgebung,
wenn diese eine andere Temperatur hat.
Das Weltall kann als abgeschlossenes System angesehen werden, wenn wir davon
ausgehen, dass es zum Weltall keine Umgebung gibt, mit der ein Austausch von
Masse und Energie möglich ist.
x „Geschlossene Systeme“ tauschen keinen Stoffstrom mit der Umgebung aus, jedoch
ist das System für einen Energiestrom durchlässig.
Abb. 4: Zur Definition der Begriffe offenes, geschlossenes und abgeschlossenes System aus dem
Alltäglichen [5]
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2.1 Thermodynamische Systeme
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Als nahezu geschlossenes System könnte man auch die Erde ansehen, da zwar
ein intensiver Energieaustausch mit der Umgebung erfolgt (Energiezufuhr durch
die Sonne, Wärmeabstrahlung ins All), der Substanzgewinn durch Meteorite und
Teilchen des Sonnenwinds (Neutrinos), der Massenverlust durch Raumsonden aber
klein gegenüber der Gesamtmasse ist. Gerade der für uns besonders wichtige Teil
der Erde, also ihre Oberfläche und Atmosphäre, wird jedoch durch Teilchen stark
beeinflusst, sodass die Erde wohl besser als „offenes System“ zu behandeln ist.
x „Offene Systeme“ tauschen mit der Umgebung Stoff und Energie aus. In der Technik hat man es überwiegend mit „offenen Systemen“ zu tun. Aber auch Pflanzen,
Tiere und Menschen gehören zu den offenen Systemen, da sie sich in ständigem
Masse- und Energieaustausch mit ihrer Umgebung befinden.
Einige Beispiele „offener Systeme“:
Rohrleitung
Behälter mit Zu- und Abflüssen
Wärmeübertrager
(Kühler, Heizkörper, Verdampfer, Kondensator etc.)
Drosselventil
Arbeitsmaschine:
Strömungsmaschine
(Pumpe, dynamischer Verdichter, Ventilatoren)
Verdrängungsmaschine
(Rotations- und Kolbenverdichter, Pumpen)
Kraftmaschine:
Strömungsmaschine (Turbine)
Kolbenmaschine
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2 Angewandte technische Thermodynamik
Stoffe für den Energietransport:
x Luft,
x Verbrennungsgase,
x Wasserdampf,
x Kältemittel (organische Arbeitsmittel),
x Wasser,
x Wärmeträgeröl.
In der Thermodynamik kommt es nicht auf die Größe, die Konstruktion und die
Gestalt der Maschinen und Apparate an, sondern auf ihre Wirkung.
Sind die in einem System enthaltenen Stoffe an allen Stellen gleich und haben gleiche
physikalische Eigenschaften, so nennt man diese Systeme „homogene Systeme“. Sind
sie jedoch an verschiedenen Stellen des Systems unterschiedlich, so werden sie als
„heterogenes System“ bezeichnet (z. B. Nassdampf). Ist die Summe der Energie- und
Stoffströme am Ein- und Austritt eines Systems gleich null, so geht man von den
Energie- und Stoffbilanzen aus.
Abb. 5: Adiabate und nicht adiabate Systemgrenzen
Abb. 6: Geschlossenes System
(V2 > V1, m = konstant)
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Abb. 7: Offenes System (z. B. Wärmeübertrager)
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