Thermodynamik: Grundlagen, Prozesse und Energieumwandlungen

Reine Stoffe und thermodynamische Prozesse

Abb. 1

Q1 = m * CN * ΔT
m: Masse des Wassers
Cn: spezifische Wärme des Eises
Q2 = m * ff: Schmelzwärme (latente) für Eis
Q3 = m * c * ΔTC: Thermo-sencible
C: 1 kcal/kg°C
Q4 = m * vv: Verdampfungswärme (latente) für H2O
v: 540 kcal/kg
v: 970 BTU / LBM
Q5 = m * c * v ΔT
Cv: 0,45 kcal / kg°C

Beispiel: Berechnung der Energie für die Umwandlung von Eis in Dampf

Berechne die benötigte Energie, um 200 g Eis bei -10 °C in 200 g Dampf bei 120 °C unter einem äußeren Druck von 760 mmHg umzuwandeln. Die spezifische Wärme des Eises beträgt 0,5 cal/g°C und die des Dampfes 0,45 cal/g°C.

Entwicklung

1. Erhitzen des Eises: Q1 = m * CN * ΔT = 200 g * 0,5 cal/g°C * 10 °C = 1000 cal
2. Schmelzen des Eises: Q2 = m * f = 200 g * 80 kcal/kg = 16000 cal
3. Erhitzen des Wassers: Q3 = m * C * ΔT = 200 g * 1 cal/g°C * 100 °C = 20000 cal
4. Verdampfen des Wassers: Q4 = m * v = 200 g * 540 cal/g = 108000 cal
5. Erhitzen des Dampfes: Q5 = m * Cv * ΔT = 200 g * 0,45 cal/g°C * 20 °C = 1800 cal

QTOTAL = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 146800 cal

Qualität des Dampfes

"x" = Masse des Dampfes / Gesamtmasse (Anteil des Dampfes in der Gesamtmasse)

Wasserdampfdurchlässigkeit

"y" = flüssige Masse / Gesamtmasse (Anteil der Flüssigkeit in der Gesamtmasse)

Abb. 2

Uf = spezifisches Volumen der gesättigten Flüssigkeit (TAB)
Vg = spezifisches Volumen des gesättigten Dampfes (TAB)
VFG = Vg - Vs
V = spezifisches Volumen an jedem Punkt der Verdampfung des Prozesses

V = V + X * Vfg
h = u + p * vu * v = PS (tab)
h = hf + hfg * X
u = uf + X * ufg
s = sf + X * sfg
v = vf + X * VFG

Grundlagen der Thermodynamik

Thermodynamik ist die Wissenschaft von den Energieänderungen, die in physikalischen und chemischen Prozessen auftreten. Ein thermodynamisches System ist ein Teil des Universums, der durch willkürlich definierte Grenzen vom Rest getrennt ist, um ihn zum Gegenstand seiner Untersuchung zu machen. Je nach ihrer Fähigkeit zum Austausch mit der Umgebung werden die Systeme als offen, geschlossen oder isoliert eingestuft. Variablen oder thermodynamische Eigenschaften eines Systems sind Größen, die verwendet werden, um es eindeutig zu beschreiben. Sie können extensiv sein (ihr Wert hängt von der Menge der Materie ab, die sie enthält) oder intensiv (ihr Wert hängt nicht von der Menge der Materie ab). Die Zustandsfunktionen sind die thermodynamischen Variablen, deren Wert nur vom aktuellen Zustand des Systems abhängt und nicht vom Verfahren, mit dem das System den thermodynamischen Zustand erreicht. Ein thermodynamischer Prozess ist eine Transformation, in der ein System Energie mit seiner Umgebung austauscht und von einem ersten Zustand des Gleichgewichts zu einem anderen Endzustand übergeht. Thermodynamische Prozesse können reversibel oder irreversibel sein, abhängig von der Fähigkeit, die Umwandlung durch winzige Veränderungen in den Werten der Variablen umzukehren.

Hauptsätze der Thermodynamik

Erster Hauptsatz der Thermodynamik: Die Veränderung der inneren Energie ΔU eines Systems entspricht der Menge an Wärme, die zwischen dem System und seiner Umgebung ausgetauscht wird, und der Arbeit, die vom System oder an ihm verrichtet wird. ΔU = Q + W

Vorzeichenkonvention: Der Wärmefluss und die Arbeit von der Umgebung zum System sind positiv: Q > 0 und W > 0. Der Fluss von Wärme und Arbeit vom System zur Umgebung ist negativ: Q < 0 und W < 0.

• Isotherm: T = 0. Die Wärmeübertragung zwischen dem System und der Umgebung ist gleich der Arbeit, die von ihm oder an ihm verrichtet wird. Q = -W
• Adiabatisch: Q = 0. Die Veränderung der inneren Energie des Systems entspricht der Arbeit, die von ihm oder an ihm verrichtet wird. ΔU = W
• Isochor: ΔV = 0. Die Wärme bei konstantem Volumen, QV, die für ein System ausgetauscht wird, ist gleich der Änderung der inneren Energie, ΔU. ΔU = QV
• Isobar: P = konstant. Die Wärme bei konstantem Druck, QP, die für ein System ausgetauscht wird, ist gleich der Änderung der Enthalpie ΔH. QP = (U + PV) - (U0 + PV0) = H - H0 = ΔH

Die Standard-Reaktionsenthalpie, ΔH°, ist die Enthalpie einer Reaktion, bei der die Reaktanten in ihren Standardzuständen zu Produkten in ihren Standardzuständen umgewandelt werden.

Die Standard-Bildungsenthalpie eines Stoffes, ΔH°F, ist die Enthalpie für die Bildung von einem Mol eines Stoffes in seinem Standardzustand aus den Elementen in diesem Zustand, denen die Enthalpie Null zugeordnet ist.

Hess'sches Gesetz: Wenn eine Reaktion in mehreren Schritten, realen oder theoretischen, durchgeführt werden kann, ist ihre Enthalpieänderung gleich der Summe der Enthalpieänderungen dieser Zwischenreaktionen.

Die Entropie, S, ist eine Zustandsfunktion, die das Maß für die molekulare Unordnung der Systeme ist. Die Entropie nimmt zu, wenn das System ungeordneter wird, und nimmt mit zunehmender molekularer Ordnung ab.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik: Die Entropie des Universums nimmt in einem spontanen Prozess zu und bleibt in einem Prozess, der sich im Gleichgewicht befindet, konstant.

Die Standardentropie, S°, eines Stoffes ist die Entropie eines Mols dieses Stoffes bei einem Druck von 1 atm und einer Temperatur von 25 °C.

Dritter Hauptsatz der Thermodynamik: Die Entropie einer reinen kristallinen Substanz, die vollkommen geordnet ist, ist am absoluten Nullpunkt gleich Null.