GRUNDLAGEN DER THERMODYNAMIK
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gunt GRUNDLAGEN THERMODYNAMIK BASISWISSEN GRUNDLAGEN DER THERMODYNAMIK Thermodynamik ist die allgemeine Theorie energieund stoffumwandelnder Prozesse: Durch Umverteilen von Energie zwischen ihren verschiedenen Erscheinungsformen wird Arbeit verrichtet. Die Grundlagen der Thermodynamik wurden aus dem Studium der Volumen-, Druck-, Temperaturverhältnisse bei Dampfmaschinen entwickelt. Die Auswahl an Themen betrifft die in diesem Kapitel aufgeführten Grundlagengeräte. THERMODYNAMISCHE SYSTEME UND GESETZMÄSSIGKEITEN • System: Bereich der thermodynamischen Untersuchung • Zustandsgrößen: alle messbaren Eigenschaften des Systems zur Beschreibung des Zustands • Umgebung: Bereich außerhalb des Systems • Zustandsänderung: Auswirkung eines Prozesses auf den Zustand • Systemgrenze: Abgrenzung zwischen System und Umgebung Systemgrenze Umgebung • Prozess: Einwirkungen von außen auf das System System • Zustand: Gesamtheit aller messbaren Eigenschaften innerhalb des Systems, „alle messbaren Eigenschaften eines Systems stellen den Zustand eines Systems dar“. OFFENES SYSTEM Zustand Zustand GESCHLOSSENES SYSTEM ISOLIERTES SYSTEM keine Masse überschreitet die Systemgrenzen weder Masse noch Energie überschreiten die Systemgrenzen offenes System geschlossenes System isoliertes oder abgeschlossenes System Energie Stoffstrom Energie kein Austausch 1. Hauptsatz der Thermodynamik: Energie lässt sich weder erschaffen noch vernichten, sondern nur ineinander umwandeln (transformieren). Bezogen auf die drei Systeme bewirkt die Energieübertragung in Form von Wärme oder Arbeit folgendes: eine Erhöhung der inneren Energie des Systems Abgase elektrische Energie Kühlwasser am Beispiel eines Wärmekraftwerks • innere Energie (U): die thermische Energie des ruhenden, geschlossenen Systems. Prozesse bewirken durch von außen zugeführte Energie eine Änderung der inneren Energie. ΔU = Q+W · Q: dem System zugeführte Wärmeenergie, · W: am System verrichtet mechanische Arbeit, die eine Wärmezufuhr bewirkt • Enthalpie (H): definiert als Summe aus innerer Energie und der Verschiebearbeit p*V H = U+p*V • Entropie (S): gibt Aufschluss über die Ordnung in einem System und die damit verbundenen Anordnungsmöglichkeiten der Teilchen im System Die Entropieänderung dS wird reduzierte Wärme genannt. dS = δQrev/T · δQrev : reversiblen Wärmeänderung · T: absolute Temperatur ZUSTANDSÄNDERUNG VON GASEN In der Physik wurde eine idealisierte Modellvorstellung eines realen Gases eingeführt, um Prozesse von Gasen vereinfacht erklären zu können. Dieses Modell stellt eine starke Vereinfachung der realen Zustände dar und wird als ideales Gas bezeichnet. Insbesondere viele thermodynamische Prozesse von Gasen lassen sich mit Hilfe der Modellvorstellung erklären und mathematisch beschreiben. Zustandsgleichung für ideale Gase: p * V = m * Rs * T · m: Masse · Rs: spez. Gaskonstante des jeweiligen Gases Zustandsänderungen eines idealen Gases: Zustandsänderung isochor isobar isotherm isentrop isenthalp die Energie ist konstant Bedingung V = konstant p = konstant T = konstant S = konstant H = konstant im Inneren des Systems können thermodynamische Energieumwandlungen stattfinden Folge dV = 0 dp = 0 dT = 0 dS = 0 dH = 0 Gesetzmäßigkeit p/T = konstant V/T = konstant p * V = konstant p * Vκ = konstant p * V = konstant κ =Isentropenexponent am Beispiel eines Druckkochtopfes 2. Hauptsatz der Thermodynamik: Alle natürlichen und technischen Prozesse sind irreversibel. Der 2. Hauptsatz ist eine Einschränkung des 1., denn in der Realität kommt es bei jedem Prozess zur Energieabgabe an die Umgebung. Diese Energie kann nicht genutzt und zurückgewandelt werden. am Beispiel einer idealen Thermoskanne Bezogen auf das Beispiel des Druckkochtopfes: nach dem Erwärmen des Topfinneren kann die Wärme des Topfinneren nicht zurück an die heiße Heizplatte fließen. Q Brennstoff Luft Kühlwasser Zustandsgrößen sind die messbaren Eigenschaften eines Systems. Um den Zustand eines Systems zu beschreiben, müssen mindestens zwei unabhängige Zustandsgrößen wie Druck (p), Temperatur (T), Volumen (V) oder Stoffmenge (n) angegeben werden. Daraus lassen sich die Zustandsfunktionen ableiten. Prozess Energie oder Materie kann mit der Umgebung außerhalb der Systemgrenzen ausgetauscht werden eine Änderung des Energiegehaltes des Stoffstroms THERMODYNAMISCHE ZUSTANDSGRÖSSEN UND -FUNKTIONEN Q 1 Zustandsänderungen lassen sich in Diagrammen anschaulich darstellen. T,s-Diagramm p,V-Diagramm 47 gunt GRUNDLAGEN THERMODYNAMIK BASISWISSEN GRUNDLAGEN DER THERMODYNAMIK PHASENÜBERGANG WÄRMETRANSPORT OHNE MATERIE Konvektion = Wärmeströmung: Wärmetransport in strömenden Flüssigkeiten oder Gasen durch Materiebewegung. Wärmestrahlung = thermische Strahlung oder Temperaturstrahlung: Energietransport durch elektromagnetische Schwingungen in einem bestimmten Wellenlängenbereich. • Beispiele: Pumpe in der Warmwasserheizung, Gebläse im PC. Entsteht die Strömung durch Dichteunterschiede aufgrund unterschiedlicher Temperaturen innerhalb des Fluids, spricht man von freier oder natürlicher Konvektion. im bl rd p =1bar am ko nd pf en en si p Konvektion/ Wärmeströmung Konduktion/ Wärmeleitung p p p p er en erstarren flüssig sind in einigen StoffOberhalb des kritischen Punktes systemen, z. B. bei Wasser, die gasförmige und flüssige Phase nicht mehr voneinander zu unterscheiden. Die physikalischen Eigenschaften des Fluids liegen zwischen beiden Phasen: Die Dichte entspricht der Dichte der flüssigen Phase, die Viskosität der gasförmigen Phase. Diese Phase wird „überkritisch“ genannt. Das Fluid kann in dieser Phase weder verdampfen noch kondensieren. In der Abbildung wird freie Konvektion gezeigt: die vom Feuer erwärmten Luftmoleküle steigen aufgrund von Dichteunterschieden auf. Man unterscheidet zwischen idealem Gas, realem Gas und Dampf. Bei idealem Gas verhalten sich Druck und Volumen exakt umgekehrt proportional, bei realem Gas nur in Näherung. Bei Dämpfen ändert sich mit dem Volumen der Druck je nach Sättigungsgrad nur wenig. schmelzen fest • Beispiele: Wasserbewegung beim Erhitzen in einem Topf, Föhnwind, Golfstrom, Rauchabzug im Schornstein. Konduktion = Wärmeleitung: Wärmetransport durch direkte Wechselwirkung der Moleküle (z.B. Stöße der Moleküle) innerhalb eines Feststoffes oder eines ruhenden Fluids. bl In der Abbildung entstehen im Feuer elektromagnetische Schwingungen, die als Wärmestrahlung in alle Richtungen abgegeben werden. VERDAMPFUNGSVORGANG ve su Bei erzwungener Konvektion ist die Strömung von äußeren Kräften erzwungen. gasförmig im STOFFGEBUNDENER TRANSPORT re n • nicht stoffgebundener Transport durch Wärmestrahlung re • stoffgebundener Transport durch Konduktion und Konvektion Einen gasförmigen, flüssigen oder festen Zustand in einem homogenen Stoffsystem nennt man Phase. Die Phase hängt von den thermodynamischen Zustandsgrößen Druck p und Temperatur T ab. Als Phasenübergang bezeichnet man die Umwandlung von einer in eine andere Phase: ie Wärmetransport findet auf zwei physikalisch grundsätzlich unterschiedliche Arten statt: ie re n WÄRMETRANSPORT su 1 Eine weitere Besonderheit in einigen Stoffsystemen, wie z. B. bei Wasser, ist der sogenannte Tripelpunkt . Hier stehen sowohl eine feste, als auch eine flüssige und eine gasförmige Phase miteinander im Gleichgewicht. Alle sechs Formen des Phasenübergangs laufen im Tripelpunkt gleichzeitig ab. In der Abbildung wird die Wärme innerhalb des Schürhakens durch Wechselwirkung der Moleküle vom Feuer zum Handschuh weitergeleitet. 5 1 4 3 2 Flüssigkeit siedende nasser gesättigter überhitzter Flüssigkeit Dampf Dampf Dampf = Gas erwärmen verdampfen überhitzen T 5 p=1bar T= 99,6°C 2 3 4 1 v Verdampfung von Wasser: Zustandsänderung beim Erhitzen von Wasser unter konstantem Druck p =1 bar T Temperatur, v spezifisches Volumen; 1 Flüssigkeit, 2 siedende Flüssigkeit, 3 ungesättigter (nasser) Dampf, 4 gesättigter Dampf, 5 Gas In einem geschlossenen System mit Flüssigkeitsfüllung stellt sich ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen der Flüssigkeit und seiner dampfförmigen Phase ein. Dieser Zustand wird Sättigungszustand genannt. Der dabei herrschende Druck wird Dampfdruck oder auch Sättigungsdampfdruck genannt, die Temperatur ist die Sättigungstemperatur. Aus beiden lässt sich die Dampfdruckkurve erstellen. Sie ist im Temperatur-Druck-Diagramm von Wasser abgebildet. Die transportierte Wärmemenge ist dabei abhängig vom Material, der Länge, des Querschnitts, der Einwirkdauer sowie der Temperaturdifferenz zwischen Anfang und Ende des Wärmeleiters. Wärmestrahlung Temperatur-Druck-Diagramm von Wasser • Sublimationskurve, • Siedepunktkurve, • Schmelzpunktkurve; 1 Tripelpunkt, 2 Siedepunkt, 3 kritischer Punkt 49
