Berechnung von Zustandsgrößen für ideale Gas im geschlossenen und offenen System

Transkript

1 Was Sie im letzten Lehrabschnitt gelernt haben 1 Einordnen von thermodynamischen Prozessen Berechnung von Zustandsgrößen für ideale Gas im geschlossenen und offenen System Aussage und mathematische Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik Anwenden des ersten Hauptsatzes auf einfache thermodynamische Prozesse

2 Was wird jetzt im dritten Block gemacht? 2 Einführung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik Einführung von Phasendiagramme Einführung des Nassdampfgebiets Arbeiten mit Stoffdatenbanken Berechnen von Kreisprozessen in der Thermodynamik Bewerten von Kreisprozessen anhand von Wirkungsgraden

3 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik 3 Eine kurze Einführung zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und zum Perpetuum mobile 2. Art gibt es in folgendem Video: Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile 2. Art Es ist unmöglich eine zyklisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die keinen anderen Effekt produziert als die Übertragung von Wärme von einem kälteren auf einen wärmeren Körper. (Rudolf Clausius, 1850)

4 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik 4 Eine kurze Einführung zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und zum Perpetuum mobile 2. Art gibt es in folgendem Video: Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile 2. Art Es ist unmöglich eine zyklisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die keinen anderen Effekt produziert als die Übertragung von Wärme von einem kälteren auf einen wärmeren Körper. (Rudolf Clausius, 1850)

5 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik 5 Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile 2. Art Es ist unmöglich, eine zyklisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die nichts anderes macht, als einem Wärmereservoir Wärme zu entziehen und in Arbeit umzuwandeln. (Lord Kelvin 1851, Max Planck 1897) O-Ton William Thomson alias Lord Kelvin: It is impossible, by means of inanimate material agency, to derive mechanical effect from any portion of matter by cooling it below the temperature of the coldest of the surrounding objects

6 Thermodynamische Bewertung 6 Wirkungsgrad = Nutzen Aufwand Thermischer Wirkungsgrad für Wärmekraftprozess th W Q nutz zu Q Q zu Q zu ab 1 Q Q ab zu Aus 2. Hauptsatz folgt W nutz Q zu Q Q ab 0 100% ab Frage: Wie groß kann der Wirkungsgrad für eine idealen Prozess mit Wärme-Umwandlung maximal werden?

7 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 7 Alltägliche Erfahrung und der zweite Hauptsatz Wärmeübertragung (ohne Stoffaustausch) findet immer vom höheren zum niedrigeren Temperaturniveau statt, der Prozess kehrt sich nicht von alleine um Verschiedene Energieformen lassen sich nicht beliebig und vollständig ineinander umwandeln, umgangssprachlich wird häufig von (Energie )verlusten gesprochen Kochtopf wird nicht von alleine heiß, während die Küche dabei kälter wird (das würde der 1. HS zulassen!) Beispiel Umwandlung elektrische Energie in mechanische Energie (E- Motor): Es entsteht auch Wärme! Fazit: reale Prozesse sind nicht beliebig umkehrbar, der Prozessverlauf bekommt eine bestimmte Richtung

8 Zusammenfassung der Hauptsätze 8 Kurzform der Hauptsätze 0. Hauptsatz: 1. Hauptsatz: 2. Hauptsatz: 3. Hauptsatz: Stehen zwei Systeme jeweils mit einem dritten im thermodynamischen Gleichgewicht, so stehen sie auch untereinander im Gleichgewicht. Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energiearten umgewandelt werden. Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar. Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist unerreichbar. Ziel / Aufgabe der Thermodynamik: 1) Maß für die Qualität der Energieumwandlung finden! 2) Energieumwandlungsverluste berechnen!

9 Reversibilität und Irreversibilität 9 Beispiele für irreversible Vorgänge: Reibung Expansion gegen Vakuum Wärmeübertragung mit endlich großer Temperatur-Differenz Mischung

10 Einführung der Entropie 10 Die thermodynamische Zustandsgröße Entropie wird in folgendem Video erklärt: MLjxAnU Über die thermodynamische Zustandsgröße Entropie (S) und die Produktion von Entropie lässt sich die Unumkehrbarkeit von technischen Prozessen darstellen. Nimmt die Entropie in einem System zu, findet ein irreversibler Prozess statt. d : Entropieänderung : aufgenommene bzw. abgegebene Wärme T: Temperatur des Systems

11 Einführung der Entropie 11 Für ein besseres Verständnis der Größe Entropie ist folgender Vortrag mit anschaulichen Beispielen hilfreich: 8 Aussagen zur Entropie im Vortrag von M. Buchholz Jeder Körper enthält Entropie Entropie kann nur zusammen mit Wärme von einem Körper auf einen anderen übertragen werden, dabei gilt: Übertragene Wärme Übertragene Entropie = Temperatur Entropie kann produziert, aber niemals vernichtet werden

12 Aussagen zur Entropie, Fundamentalgleichungen 12 Entropieänderung geschlossener Systeme Erhöhung: möglich durch Wärmeübertragung auf das System Erhöhung: möglich durch irreversible Prozesse Verringerung: nur möglich durch Wärmeübertragung vom System nach außen bei adiabaten Prozessen kann die Entropie nur zunehmen (Ausnahme isentroper Prozess ds=0) aufgrund von Irreversibilitäten ist die vom System geleistete Arbeit immer geringer als im reversiblen Fall (W irr < W rev ) h =u + p V Gibbs sche Gleichungen T ds = du + p dv T ds = dh V dp Konsequenz/Sonderfälle: Isobare Wärmezu /abfuhr (dp=0): Isentrope, adiabate Kompression/Expansion(dS=0): Nur solche Prozesse können stattfinden, bei denen die Entropie gleich bleibt (ideal, reversibel) oder zunimmt (real, irreversibel). Erinnerung: Großbuchstaben für H,S,U,V = absolute Größen extensiver Zustandsvariablen, stoffmengenabhängig Kleinbuchstaben h,s,u,v = massenbezogene Größen (absolute Größe / m), werden durch Massenbezug stoffmengenunabhängig p,t = intensive Zustandsvariablen, ohnehin stoffmengenunabhängig dh = T ds dh = V dp

13 Einführung Phasendiagramme 13 Für die Veranschaulichung von thermodynamischen Prozessen werden Phasendiagramme verwendet Sie stellen Zustände und deren zugehörige Phasen in Abhängigkeit von Zustandsgrößen dar Der Gleichgewichtszustand des Systems unter gegebenen Randbedingungen lässt sich ablesen

14 Das p-v-t-diagramm 14 Die p-v-t Fläche p-v-t Fläche eines reinen Stoffes

15 NassdampfGebiet 15 Gasförmiges Wasser Kondensierte Wassertropfen flüssig flüssig Nassdampf Ist ein 2 Phasen Gemisch aus der siedenden Flüssigkeit und dem mit ihr im thermodynamischen Gleichgewicht stehenden Dampf Bei isobarer Wärmezufuhr bleibt die Temperatur so lange konstant, bis die gesamte Flüssigkeit verdampft ist (Sattdampf), erst dann steigt die Temperatur über die Sättigungstemperatur (überhitzer Dampf) Bei isobarer Kondensation bleibt die Temperatur so lange konstant, bis die gesamte Flüssigkeit kondensiert ist (siedende Flüssigkeit), erst dann sinkt die Temperatur unter die Sättigungstemperatur (unterkühlte Flüssigkeit)

16 Das V,T-Diagramm 16

17 Zustandsdiagramme für Wasser 17 p,v-diagramm T,s -Diagramm Zum besseren Verständnis der Diagramme und des Nassdampfgebietes ist folgendes Video hilfreich:

18 Stoffe mit 2-Phasengebiet 18 Reale Stoffe mit 2 Phasengebiet Bsp. Wasser und Kältemittel Vorteil Wasser: überall vorhanden ungefährlich hohe Verdampfungsenthalpie große Anlagengrößen hohe Prozesstemperaturen möglich hohe Wirkungsgrade Vorteil Kältemittel u.a. synthetische Arbeitsmedien geringe Verdampfungsenthalpie geeignet für kleine Anlagengrößen

19 Beispiel: Wasser Kochen 19 Wasser mit einer Temperatur von 20 C wird bei einem Druck von 1bar vollständig isobar verdampft T=20 C siedende Flüssigkeit Sattdampf 1) 2) 3) 4) 5) T=100 C T=100 C T=100 C T=120 C flüssig Unterkühlte Flüssigkeit flüssig Nassdampf Dampf Dampf Überhitzer Dampf

20 Übungsaufgaben!!! 20 Machen Sie an dieser Stelle eine Pause und lösen Sie die Aufgaben in Moodle ( Fragen zum ersten Block ) Tipp: Nutzen Sie zur Lösungsfindung das Kochrezept unter den Downloads