Thermodynamik: Offene Systeme und Hauptsätze

Erster Hauptsatz für offene Systeme

In diesen Systemen gibt es Massen- und Energiebilanzen.

Massenstrom: Die Menge an Masse, die pro Fläche, Volumen und Zeit durch ein System fließt. In einem offenen System gilt die Erhaltung der Masse; wenn das Fluid inkompressibel ist, bedeutet dies, dass die Dichte am Eingang gleich der Dichte am Ausgang ist.

Work Flow (Verschiebearbeit): Die Arbeit, die vom Fluid verrichtet werden muss, um sich durch das System zu bewegen. Aufgrund der Energieerhaltung müssen die Energien am Eintritt gleich den Energien am Austritt sein.

Enthalpie: Es handelt sich um eine thermodynamische Zustandsgröße, welche die Energieänderungen anzeigt, die in einem Prozess zwischen Ein- und Ausgang eines offenen Systems auftreten. Es ist eine Eigenschaft, die genau genommen nur vom Ein- und Ausgang eines Systems abhängt.

Betriebene Geräte bei konstantem Durchfluss

• a) Boiler: Ein Gerät, das sich dadurch auszeichnet, dass einer Flüssigkeit (in der Regel Wasser) Wärme zugeführt wird, um ihre Temperatur zu erhöhen oder sie zu verdampfen. Es ist ein statisches Gerät, das keine Arbeit verrichtet.
• b) Turbine (Gas oder Dampf): Ein Gerät, das dadurch geprägt ist, dass es ein unter hohem Druck stehendes Fluid empfängt und Energie auf eine Welle überträgt, wobei das Fluid auf einen niedrigen Druck expandiert. Wir sind hier an der Wellenarbeit interessiert.
• c) Kompressoren und Pumpen: Geräte, die den Druck des Arbeitsmediums kontinuierlich erhöhen sollen. Wir sind an der Bestimmung der dafür aufzuwendenden Wellenarbeit interessiert.
• d) Düse: Der Zweck dieser Einrichtung ist es, ein Fluid durch die Verringerung der Querschnittsfläche und einen Druckabfall zu beschleunigen. Die Strömung ist so schnell, dass das Gerät keine Arbeit verrichtet, aber Wärme verliert.
• e) Ventile: Sie haben die Funktion von Regulierungselementen, bei denen das Fluid einen Druckverlust aufgrund der Größe des Geräts und der Geschwindigkeit erfährt. Es findet kein Austausch von Wärme oder Arbeit statt; es handelt sich um einen isenthalpen Prozess, bei dem die Energie am Ein- und Ausgang gleich bleibt.

Kreisprozesse

a) Arbeitszyklus (Power Cycle)

Das Ziel ist die Umwandlung von Wärme in Arbeit an einem physischen Ort, der Wärmekraftmaschine genannt wird (z. B. Dampfkraftwerke, Dieselmotoren, Gasturbinen usw.).

Merkmale des Arbeitszyklus:

• A) Es wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem das System oder das Arbeitsmittel Wärme bei hohen Temperaturen aufnimmt.
• B) Es gibt mindestens einen Prozess, bei dem das Arbeitsfluid Wärme an einen Tiefpunkt oder eine Sumpftemperatur abgibt.
• C) Abgabe von Arbeit an die Umgebung.

Wichtige Aspekte von Kraftwerken

Ein Kraftwerk berücksichtigt im Wesentlichen zwei Aspekte: Effektivität und Effizienz.

• Wirksamkeit: Bezieht sich auf die damit verbundenen Kosten.
• Effizienz: Bezieht sich auf die Leistungsfähigkeit der Maschine oder eines Prozesses, die durch die Anlagenleistung bestimmt wird.
• Wirkungsgrad: Er ist das Verhältnis des absoluten Wertes der Netto-Arbeit zur absorbierten Wärme.
• Leistung des Kraftwerks: Das Produkt aus der Netto-Arbeit und der Häufigkeit, mit der der Zyklus wiederholt wird.
• Brennwert: Menge an Energie, die von einem Motor absorbiert wird, bezogen auf die Masse, die für den Betrieb verbraucht wird.

b) Kältekreislauf

Ziel ist es, Wärme von einer Quelle mit niedriger Temperatur zu einer mit hoher Temperatur zu transportieren, unter Aufwendung von Arbeit (z. B. Kühlschränke, Wärmepumpen, Lüftungs- und Klimaanlagen).

Features:

• a) Mindestens ein Prozess, bei dem die Arbeitssubstanz Wärme bei niedrigen Temperaturen erhält.
• b) Mindestens ein Prozess, bei dem das System Wärme an eine Hochtemperaturquelle abgibt.
• c) Erfordert zusätzliche Arbeit, um in Betrieb genommen zu werden.

Hinweis: Kühlkreisläufe haben keinen Wirkungsgrad im klassischen Sinne, sondern eine Leistungszahl (COP), die als Verhältnis zwischen der gewünschten Ausgabe und der Netto-Arbeit (Wn) definiert ist.

Wärmepumpen: Der effiziente Betrieb ist definiert als das Verhältnis zwischen der gewünschten Wärmeabgabe (Qh) und der Netto-Arbeit (Wn).

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Er basiert auf den Erfahrungen zur Beschreibung der spontanen Richtung von Realisierungsprozessen und liefert die notwendigen Grundlagen, um die Qualität der Energie und die Effizienz thermodynamischer Umwandlungen zu messen.

Er erkennt den unidirektionalen Charakter der Wärmeübertragung und die Transformation von Arbeit in Wärme an.

Entropie (Störung): Dient zur Optimierung energetischer Prozesse unter Berücksichtigung der Reversibilität bzw. Irreversibilität.

Umkehrbarer (reversibler) Prozess: Dies ist der Fall, wenn die Stufen eines Prozesses in die eine oder andere Richtung die gleichen Funktionen aufweisen oder ein thermodynamisches Gleichgewicht besteht.

Thermodynamisches Gleichgewicht

Damit dieses eintritt, dürfen im Prozess folgende Änderungen nicht auftreten:

• a) Mechanische Änderungen als Produkt von Druckschwankungen.
• b) Chemische Reaktionen.
• c) Thermisches Ungleichgewicht (die Temperatur muss konstant sein).

Irreversible Prozesse

Diese können verursacht werden durch:

• a) Interne Irreversibilitäten: z. B. innere Reibung und Diffusion.
• b) Externe Irreversibilitäten: mechanischer oder thermischer Natur.

Im zweiten Hauptsatz gilt: Wenn ein Prozess spontan abläuft, ist er notwendigerweise irreversibel. Das bedeutet:

• a) Wärme fließt von hohen zu niedrigen Temperaturen.
• b) Arbeit wird spontan in Wärme umgewandelt.

Clausius-Statement

In Bezug auf den Zyklus von Wärmekraftmaschinen besagt es, dass Wärme nicht spontan von einem kalten Körper auf einen Körper höherer Temperatur übertragen werden kann. Der einzige Weg führt über eine Maschine, der von außen Arbeit zugeführt wird. Ohne Arbeit ist der Vorgang unmöglich; mit Arbeit ist der Prozess irreversibel.

Statement von Kelvin-Planck

Keine Maschine kann Wärme vollständig in Arbeit umwandeln; sie muss immer einen Teil der Wärme an einen kühleren Raum abgeben.

Carnot-Zyklus

Er bildet die Basis für das zweite thermodynamische Prinzip, um eine Beziehung zwischen Wärme und Temperatur herzustellen. Dieser Zyklus basiert auf vier reversiblen Prozessen (2 isotherme und 2 adiabatische), um die thermische Leistung als Funktion der Temperatur der Wärmequellen zu bestimmen.

Entropie-Definition

Die Summe aller kleinen Zustandsänderungen bestimmt die thermische Störung in einem Prozess. Sie ist eine Zustandsfunktion, welche die Irreversibilität beschreibt. Der Carnot-Prozess besteht aus zwei adiabatischen Prozessen (Wärme ist Null, keine Entropieänderung) und zwei isothermen Prozessen (Wärmeübertragung findet statt, Entropie ändert sich). Ein Prozess ohne Entropieänderung wird als isentroper Prozess bezeichnet.