IV Grundbegriffe der Thermodynamik Fragen 4.1 bis 4.10 4.1

Fragen zu Kapitel IV
IV
4.1
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Grundbegriffe der Thermodynamik
Fragen 4.1 bis 4.10
Thermodynamische Systeme sind komplizierte Vielteilchensysteme. Dennoch können sie im „thermodynamischen Gleichgewicht“
durch wenige makroskopische Größen ( = Zustandsgrößen) charakterisiert werden.
4.1a Nennen Sie die Zustandsgrößen, die im thermodynamischen
Gleichgewicht ein im Volumen V eingeschlossenes Gas charakterisieren! Welche der Größen sind extensiv (d. h. proportional zur
Größe Systems), welche intensiv (d. h. unabhängig von der Systemgröße)?
4.1b Zwischen den Zustandsgrößen besteht eine Relation, die man „Zustandsgleichung“ nennt. Nennen Sie diese für das im Volumen V
eingeschlossene ideale Gas! Nennen Sie auch die Formulierung,
bei der nur intensive Zustandsgrößen vorkommen!
4.2
In einem geschlossenen System kann das ideale Gas mit der Umwelt Formen der Energie austauschen. Das kann auf verschiedene
Weisen geschehen, z. B. unter Festhalten einer der Zustandsgrößen oder unter Unterbindung einer Austauschform.
Definieren Sie in diesem Sinne: Was ist
•
Ein isothermer Prozess?
•
Ein isobarer Prozess?
•
Ein isochorer Prozess?
•
Ein isentroper Prozess?
4.3a Was verstehen Sie unter einem „Thermodynamischen Kreisprozess“? Welche Formen von Energie werden dabei ausgetauscht?
4.3b Was verstehen Sie unter einem „Reversiblen Thermodynamischen
Kreisprozess“? Wie ändern sich die Vorzeichen der ausgetauschten Energien beim rückwärts laufenden reversiblen Kreisprozess?
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4.4
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Erläutern und präzisieren Sie den „Ersten Hauptsatz der Thermodynamik“ in folgender Hinsicht:
4.4a Welcher Erhaltungssatz der Physik wird hierbei auf thermodynamische Systeme angewandt?
4.4b Die Innere Energie ist eine Zustandsgröße eines geschlossenen
thermodynamischen Systems. Welche Form nimmt der erste
Hauptsatz für die Teilschritte und für das Durchlaufen eines ganzen
Kreisprozesses an?
4.4c Welche Vorzeichen können dabei die umgesetzten Wärmemengen
und Energiemengen annehmen?
4.4d Definieren Sie, was ein „ Perpetuum mobile erster Art“ ist, und was
der Erste Hauptsatz über die Möglichkeit seiner Existenz aussagt!
4.5
Erläutern und präzisieren Sie den „Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik“ in folgender Weise:
4.5a Definieren Sie, was ein „Perpetuum Mobile Zweiter Art“ ist, und formulieren Sie den Zweiten Hauptsatz als Satz, der die Existenz eines Perpetuum mobile zweiter Art ausschließt!
4.5b Für Systeme im thermischen Gleichgewicht kann man eine weitere
Zustandsgröße einführen, die “Entropie S“. (Sie ist ein Maß für die
innere Unordnung des Systems). Ihr Zuwachs dS hängt mit der Zuführung von Wärme durch dS =
δQ
T
zusammen. Formulieren Sie
die Grundformel des Ersten Hauptsatzes 4.4b so um, dass in ihr
nur noch kleine Änderungen von Zustandsgrößen vorkommen!
4.6a Erläutern Sie die vier Schritte des Carnot-Prozesses, indem Sie sie
im p/V – Diagramm oder im S/T – Diagramm skizzieren
4.6b Erläutern Sie, dass der Carnot-Prozess im Idealfall „unendlich
langsamer“ Durchführung reversibel ist! Was muss dabei vermieden werden?
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4.7a Definieren Sie den Wirkungsgrad für den reversibel verlaufenden
Prozess in Wärmekraftmaschinen!
4.7b Definieren Sie die Leistungszahl für den reversibel verlaufenden
Prozess in Wärmepumpen.
4.7c Geben Sie diese Wirkungsgrade bzw. Leistungszahl an, für
To = 550 K,
• To = 295 K,
•
Tu = 300 K
Tu = 270 K
an.
4.8
Der Stirlingmotor
4.8a Geben Sie die grundsätzliche Arbeitsweise eines Stirlingmotors an!
4.8b Was unterscheidet den Stirlingmotor von „Verbrennungsmotoren“?
4.8c Welche Vorgänge verhindern, dass der Kreisprozess des Stirlingmotors ein reversibler Kreisprozess sein kann?
4.9
Energiearten und Energietransformation
Wegen des universellen Energieerhaltungssatzes können Energiearten in andere Energiearten umgeformt werden. Bei diesem Vorgang geht keine Energie verloren!
4.9a Geben Sie verschiedene Energiearten an und erläutern Sie kurz
ihre Herkunft!
4.9b Welche Energieformen können im Wesentlichen (unter Vernachlässigung gewisser „Reibungsverluste“) vorwärts und rückwärts ineinander transformiert werden? Bei welchen Energieformen ist das,
ganz oder teilweise, nur in einer Richtung möglich? (Beispiele genügen)
4.9c Geben Sie an, welche Energiearten bei einem konventionellen
Kohlekraftwerk bzw. einem Kernkraftwerk sequentiell umgeformt
werden müssen, bis „der Strom aus der Steckdose kommt“?
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4.10 Die Kernenergie ist die einzige energetische Basisinnovation des
20-sten Jahrhunderts.
4.10a
Erläutern Sie den entscheidenden Unterschied zwischen
Kernenergie und fossiler bzw. chemischer Energie! Aus welchen
Prozessen kommt die Energie?
4.10b Bei jeder Erzeugung elektrischer Endenergie aus Primärenergie
(Kohle oder Kernkraft) entsteht „Asche“. (CO2 bei Kohle, radioaktiver Abfall bei Kernkraft.) Ein „Standard – Kohlekraftwerk“ und ein
„Standard – Kernkraftwerk“ mögen jeweils 1000 Megawatt = 1 Million Kilowatt Strom erzeugen! Wird beim Kohlekraftwerk das CO2
verflüssigt, so fallen im Jahr 5,7 Millionen Kubikmeter flüssiges
CO2 an. Beim Kernkraftwerk entstehen 60 Kubikmeter hochradioaktiver Abfall im Jahr (siehe SWOT analysis of nuclear energy
2010). Berechnen Sie den Raumbedarf (in Kubikmeter) für die
Endlagerung hochradioaktiven Abfalls von 20 Kernkraftwerken in
100 Jahren, und alternativ dazu, den Raumbedarf für die Endlagerung von verflüssigtem CO2 von 20 Kohlekraftwerken in 100 Jahren!
4.10c Radioaktiver Abfall muss so lange endgelagert werden, bis seine
Radioaktivität der ohnehin vorhandenen natürlichen Radioaktivität
entspricht. Ein Maß für die Zeiträume ist die Halbwertszeit (Zeit, in
der die Hälfte des radioaktiven Stoffes zerfallen ist).
Es liegen 5000 kg radioaktives Material vor. Dies ist ein Gemisch
von Isotopen verschiedener Halbwertszeiten. Und zwar
•
Isotop 1
Anteil 60% Halbwertszeit 10a
•
Isotop 2
Anteil 35% Halbwertszeit 100 a
•
Isotop 3
Anteil 5% Halbwertszeit 1000 a
Wie sieht die Zusammensetzung der radioaktiven Isotope nach10,
20, 50, 100, 500, 1000 Jahren aus?