Thermodynamik I. Sommersemester 2013 Kapitel 1, Teil 1. Prof. Dr. Ing. Heinz Pitsch

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1 Thermodynamik I Sommersemester 2013 Kapitel 1, Teil 1 Prof. Dr. Ing. Heinz Pitsch

2 Kapitel 1, Teil 1: Übersicht 1 Allgemeine Grundlagen 1.1 Stoffe und Stoffumwandlungen 1.2 Energie Formen und Energie Innere Energie 1.3 Das thermodynamische System 1.4 Zustandsgrößen 1.5 Zustandspostulat 1.6 Die thermodynamische Betrachtungsweise 1.7 Prozess und Zustandsänderungen 2

3 Thermodynamik Das Wort Thermodynamik kommt aus dem Griechischen: therme (Wärme) und dynamis (Kraft) Lehre der Energieumwandlungen z. B. Wärme in Arbeit C.P. Snow: The lack of knowledge of the second law of thermodynamics is equivalent to never having read Shakespeare 3

4 Historische Beispiele: Dampfkochtopf von 1681 Wasserpumpe von

5 Thomas Newcomen Frühe Dampfmaschinen mit Wassereinspritzung zur Kondensation des Dampfes im Zylinder atmosphärische Dampfmaschine Kolbenrückbewegung durch den Luftdruck Einsatz als Pumpen in Bergwerken um 1712 Wirkungsgrad unter 1% 5

6 James Watt Verbesserung der atmosphärischen Dampfmaschine von Newcomen Kondensation des Dampfes in einem separaten Behälter, dem Kondensator Kolbenbewegung in beide Richtungen durch Dampfdruck angetrieben Patent 1769 Wirkungsgrad Wattscher Dampfmaschinen bis 3% 6

7 Geregelte Dampfmaschine von Watt Fliehkraftregelung zur Drehzahlbegrenzung 7

8 Energie Nachfrage nach Energie bestimmt unser Leben in substantieller Weise Verkehr und Elektrizität Luftverschmutzung Globale Erwärmung 8

9 DOE s International Energy Outlook 2006 Highlights: Fossile Brennstoffe werden weiterhin einen großen Anteil (85%) der weltweit genutzten Energie liefern Welt Energie Verbrauch wird voraussichtlich von 2003 bis 2030 um 71% zunehmen Erdöl bleibt die vorherrschende Energiequelle Verkehr und Transport mit Anteil von ~ 25% 9

10 Treibhausgas Emissionen 85% der Treibhausgas Emissionen sind CO 2 EPA Inventory of US Greenhouse Gas Emissions,

11 Quellen von CO 2 Der Verbrauch fossiler Brennstoffe ist beteiligt an 95% der CO 2 Emissionen 80% aller Treibhausgas Emissionen 11

12 Reduktion von Treibhausgas Emissionen Verschiedene Alternativen zum Beispiel Wasserstoff Wirtschaft CO 2 Sequestration (Carbon Capture and Storage, CCS) Biobrennstoffe Effizienzsteigerung Thermodynamik 12

13 Thermodynamisches Gerät Beispiel: Ball Formen der Energie - Potentielle Energie - Kinetische Energie - Spannungsenergie 1. Hauptsatz der Thermodynamik Energie bleibt erhalten! 13

14 Beispiel: Wärmekraftmaschine Wohin geht die Energie? Was kann man mit dieser Energie anfangen? Kann man den Prozess umkehren? Energietransformationen beeinflussen Qualität der Energie 2. Hauptsatz der Thermodynamik Energie charakterisiert durch Qualität Entropie 14

15 Beispiele: Moderner Dieselmotor Trotz erheblich höheren Verkehrsaufkommens deutlich reduzierter Rußausstoß 15

16 Brennstoffzellen 16

17 Brennkammer eines Pratt & Whitney 6000 Flugtriebwerks 17

18 Literatur: Bosnjakovic F., Knoche K. F.; Technische Thermodynamik Teil I und II 8. Auflage, Steinkopf Darmstadt Baehr, H. D., Thermodynamik. Grundlagen und technische Anwendungen 11. Auflage, Springer Verlag Lucas, K., Thermodynamik, die Grundgesetze der Energie und Stoffumwandlungen, Springer Verlag mit Schwerpunkt auf den theoretischen Grundlagen Schnakenberg, J., Thermodynamik und statistische Physik, Carl Grossmann Verlag, Tübingen Amerikanische Lehrbücher Moran, J. M., Shapiro, H. N., Fundamentals of Thermodynamics, J. Wiley & Sons Cengel, Y. A., Boles, M. A., Thermodynamics, McGrawHill 18

19 1. Allgemeine Grundlagen 1.1 Stoffe und Stoffumwandlungen Reine Stoffe: Phasenänderung flüssig gasförmig, fest flüssig, fest gasförmig Mischung: Kaffee + Milch = Milchkaffee (typisches Beispiel für nichtumkehrbaren, irreversiblen Prozess) Mischung und Phasenübergang: Salz + Eis = Salzwasser + Eis Chemische Reaktionen Verbrennung im Kraftwerk: Steinkohle + Luft = Abgas + Asche + Wärme Brennstoffzelle: + elektrischer Strom + Wärme 19

20 1.2 Energie Formen der Energie Energie kinetisch potentiell elektrisch magnetisch makroskopisch Äußere Energien E a thermisch chemisch nuklear mikroskopisch Innere Energie U Gesamtenergie: 20

21 1.2.2 Innere Energie Innere Energie: Σ mikroskopischer Energien thermisch Translation Rotation Schwingung elektronisch chemisch nuklear latent 21

22 Kapitel 1, Teil 1: Übersicht 1 Allgemeine Grundlagen 1.1 Stoffe und Stoffumwandlungen 1.2 Energie Formen und Energie Innere Energie 1.3 Das thermodynamische System 1.4 Zustandsgrößen 1.5 Zustandspostulat 1.6 Die thermodynamische Betrachtungsweise 1.7 Prozess und Zustandsänderungen 22

23 1.3 Das thermodynamische System Bereich des Raumes auf den sich die thermodynamische Analyse bezieht Klar abgegrenzt Beispiel: Gas im Zylinder mit beweglichem Kolben Wirkungen der Umgebung auf das System an den Systemgrenzen bestimmt Werden bei Systemanalyse berücksichtigt Massenbezogene Unterscheidung Geschlossene Systeme Offene Systeme 23

24 Definition von Systemen Geschlossene Systeme Systemgrenzen undurchlässig für Materie Volumen kann veränderlich sein Arbeit und Wärme dürfen über Systemgrenzen ausgetauscht werden Beispiel: Gas im Zylinder mit beweglichem Kolben Weitere Eigenschaften des geschlossenes Systems Enthält eine oder mehrere homogene Phasen Chemische Reaktionen im System sind möglich Systemgrenzen oft beweglich 24

25 Offene Systeme Systemgrenzen durchlässig für Materie mit oder ohne Wärme und Arbeitsaustausch mit der Umgebung oft durchströmter Kontrollraum Volumen kann sich ändern Weitere Eigenschaften des offenen Systems Homogenität des Systemsinhalts spielt keine Rolle Systeminhalt kann sehr komplex sein, nur der Stoff und Energieübergang an den Grenzen wird betrachtet Systemgrenzen oft aber nicht notwendig ortsfest 25

26 Abgeschlossene oder isolierte Systeme Vollkommen abgeschnitten von der Umgebung Keine Massen oder Energieflüsse über Systemgrenzen Wie geschlossenes Systeme, aber zusätzlich kein Wärmeaustausch adiabat und kein Austausch von Arbeit über die Systemgrenzen 26

27 Beispiel: Luftpumpe Betrachtet wird das Gas innerhalb der rot gestrichelten Systemgrenze!.. Massenstrom m Im Gleichgewicht: Druck = Kraft/Fläche Wärmestrom Q 27

28 Beispiel 1 für offenes System: Turboverdichter Kontinuierliche Verdichtung des Massenstroms durch Kompressorschaufeln, die ihn unter Zuführung von elektrischer Arbeit in ein immer kleiner werdendes Volumen drücken. Die pro Zeiteinheit zugeführte Arbeit wird als Leistung bezeichnet P: 28

29 1.4 Zustandsgrößen System ist Träger von Variablen oder physikalischen Größen, die seine Eigenschaften kennzeichnen Klassischen thermodynamischen Betrachtungsweise Systeme makroskopischer Abmessungen werden betrachtet Es interessieren nicht Koordinaten und Geschwindigkeiten aller einzelnen Gasteilchen im System wie in der statistischen Mechanik Globale Größen wie Volumen V, Druck p, Temperatur T und die Masse m sowie die Zusammensetzung des System reichen zur Beschreibung aus Zustandsgrößen Unterscheidung von Zustandsgrößen Extensiv Intensiv 29

30 Extensive Zustandsgrößen Extensive Zustandsgrößen Zustandsgrößen die sich bei gedachter Teilung des Systems als Summe der Zustandsgrößen der Einzelteile ergeben Messen die Größe eines Systems Einfache Beispiele sind Masse, Volumen und Energie Für n Teilsysteme gilt also 30

31 Intensive Zustandsgrößen intensive Zustandsgrößen Zustandsgrößen die sich bei gedachter Teilung eines homogenen Systems gleich bleiben Können an jedem Punkt des Raumes definiert werden, sie können räumlich variieren Beispiel: Druck p, Temperatur T, Dichte ρ, spezifisches Volumen v = 1/ρ 31

32 Extensive und intensive Zustandsgrößen Extensive Zustandsgrößen im homogenen System proportional zu Masse oder Stoffmenge Aus extensiven Zustandsgrößen werden intensive Zustandsgrößen durch Bezug auf entsprechende Masse oder Stoffmenge Massenbezogene Zustandsgrößen heißen spezifische Zustandsgrößen Stoffmengenbezogene Zustandsgrößen heißen molare Zustandsgrößen Beispiele: spezifisches Volumen v = 1/ρ = V/m spezifische innere Energie u = U/m 32

33 1.5 Zustandspostulat Betrachtet wird ein einfaches kompressibles System 1) Zustandspostulat: Die Vorgabe von zwei unabhängigen intensiven Zustandsgrößen bestimmt eindeutig alle anderen Zustandsgrößen Beispiel: Die Viskosität von Wasser sei η = 0, Ns/m, sein Brechungsindex n = 1,3289, dann ist die Dichte festgelegt zu ρ = 0,9981 g/cm 3, die Temperatur zu 50 o C, der Druck Oft werden hierfür die Zustandsgrößen Druck p, Temperatur T oder spezifisches Volumen v verwendet 1) Ein einfaches System ist ein System ohne Schwerkräfte, elektrische, magnetische oder andere äußere Kräfte, auch kinetische Energie oder Oberflächenspannung sind ausgeschlossen. In anderenfällen sind weitere Eigenschaften, wie zum Beispiel die Höhe im Schwerefeld bei der potentiellen Energie zu berücksichtigen. Kompressibel ist ein System ohne plastische Verformung 33

34 1.6 Die thermodynamische Betrachtungsweise Gleichgewichtszustände Aggregatzustände (fest, flüssig, ) werden als Phasen bezeichnet Thermodynamische Betrachtungsweise setzt voraus, dass innerhalb einer Phase ein homogener Zustand vorliegt Eigenschaften wie Druck und Temperatur sind daher in einer Phase räumlich konstant Bei durchströmten Apparaten (z. B. Turboverdichter) ändert sich der Zustand innerhalb des Kontrollvolumens Zustand innerhalb des Apparats kann oft nicht als räumlich konstant angenommen werden 34

35 Gleichgewicht Thermisches und mechanisches Gleichgewicht Thermisches Gleichgewicht Mechanisches Gleichgewicht Zwangsbedingungen verhindern vollständiges Gleichgewicht Arretierungen verhindert Druckausgleich Adiabate Schichten verhindern Temperaturausgleich 35

36 1.7 Prozess und Zustandsänderungen Thermodynamische Analyse behandelt Zustandsänderungen zwischen Gleichgewichtszuständen Nicht Prozesse in ihrem zeitlichen und örtlichen Verlauf Üblicherweise werden quasi statische (d. h. hinreichend langsame) Zustandsänderungen behandelt, für die alle Zwischenzustände als Quasi Gleichgewichtszustände angenommen werden können Beispiel einer nicht quasi statischen Zustandsänderung: Ruckartiges Anfahren eines Kolbens würde im System eine Druckwelle erzeugen, die zu einem inhomogenen Druckfeld führt und in ihren Details nur mit strömungsmechanischen Methoden behandelt werden kann 36

37 Beispiel: Kompression im Otto Motor Annahme: Die Kompression sei so langsam, dass sie durch eine Serie von Gleichgewichtszuständen ausreichend genau approximiert werden kann. Beispiele wohldefinierter Prozesse: isotherm (konstante Temperatur: T = const) isobar (konstanter Druck: p = const) isochor (konstantes Volumen: v = const) isentrop (konstante Entropie: s = const oder pv k = const) polytrop (pv n = const) 37

38 Idealisierter Otto Prozess Annahme: ideales Gas, überwiegend Luft offenes System wird durch geschlossenes System ersetzt, so dass das Ausschieben des heißen Abgases und das Ansaugen des kalten Frischgases 4 1 durch einen Prozessschritt "Kühlen bei konstantem Volumen ersetzt wird 38

39 Der Otto Prozess im p,v Diagramm V s s V Endzustand = Anfangszustand Kreisprozess 39