Thermodynamik. Klaus Lucas. Die Grundgesetze der Energieund Stoffumwandlungen. 5., korrigierte und erweiterte Auflage

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2 Springer-Lehrbuch

3 Klaus Lucas Thermodynamik Die Grundgesetze der Energieund Stoffumwandlungen 5., korrigierte und erweiterte Auflage Mit 237 Abbildungen und 20 Tabellen 123

4 Professor Dr.-Ing. Klaus Lucas Professor für Thermodynamik Lehrstuhl für Technische Thermodynamik Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Schinkelstraße Aachen Deutschland lucas@ltt-rwth-aachen.de Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek DieDeutscheBibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York ISBN Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York ISBN X 4. Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2000, 2001, 2004 und 2006 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuziehen. Satz: Digitale Druckvorlage des Autors Einband: design & production GmbH, Heidelberg Herstellung: LE-TEXJelonek,Schmidt&VöcklerGbR,Leipzig Gedruckt auf säurefreiem Papier 7/3142/YL

5 Vorwort zur 5. Auflage Energie- und Stoffumwandlungen sind die grundlegenden Prozesse, auf denen unsere Zivilisation beruht. Sie laufen in vielfältigen technischen Strukturen ab, deren Größenbereich sich von kleinen Anlagen im Labormaßstab bis hin zu großtechnischen Standorten erstreckt. Einen ersten Einstieg in die Analyse solcher Prozesse vermittelt die Thermodynamik. Sie beschreibt die Umwandlungen auf der Grundlage von allgemeinen Bilanzgleichungen sowie speziellen Modellansätzen für das Verhalten der beteiligten Stoffe, unabhängig von den vielfältigen technischen Aspekten der zugehörigen Maschinen und Apparate. Der vorliegende, nunmehr in der fünften Auflage erscheinende Text betont die Rolle der Thermodynamik als systemanalytische Wissenschaft. Das erste Kapitel stellt die allgemeinen Erkenntnisse über Energie- und Stoffumwandlungen zusammen und erläutert die wesentlichen Abstraktionsschritte einer thermodynamischen Analyse. Im zweiten Kapitel werden die für die Anwendungen entscheidenden Eigenschaften fluider Materie zunächst phänomenologisch und darauf aufbauend durch Stoffmodelle beschrieben. In den anschließenden drei Kapiteln erfolgen die allgemeine Formulierung der Bilanzen für Materie, Energie und Entropie und ihre Anwendung auf exemplarische Prozesse. Es wird dabei deutlich, dass die Lösung eines praktischen Problems zunächst die darauf zugeschnittene Aufstellung der Bilanzgleichungen und danach ihre Auswertung mit Hilfe spezieller Stoffmodelle erfordert. Insbesondere die Diskussion der Entropiebilanz in Verbindung mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik führt auf zwei Grenzfälle der thermodynamischen Analyse, den reversiblen Prozess für Energieumwandlungen und den Gleichgewichtsprozess für Stoffumwandlungen. Beide Grenzfälle erlauben eine einfache und doch praktisch aussagefähige Analyse energie- und stoffumwandelnder Prozesse. Dies wird in jeweils eigenen Kapiteln an Hand ausgewählter Beispiele für Energieumwandlungen und für Stoffumwandlungen ausführlich dargestellt. In der nun vorgelegten fünften Auflage habe ich einige Änderungen und Ergänzungen vorgenommen. So habe ich die Energiebilanz straffer formuliert und dabei einige Wiederholungen vermieden. Insbesondere habe ich zu jedem Kapitel Übungsaufgaben hinzugefügt, deren Ergebnisse in einem zusätzlichen Anhang E zusammengestellt sind. Sie sollen dem Leser eine Kontrolle seines Lernerfolges jenseits der durchgerechneten Beispiele

6 VI Vorwort ermöglichen. Für die Ausführung bin ich Frau E. Frach dankbar. Möge das Buch auch weiterhin Studenten und Ingenieuren in der Praxis helfen, die Nützlichkeit der thermodynamischen Analyse zu erkennen und in praktische Problemlösungen umzusetzen. Aachen, im Sommer 2005 K.Lucas

7 Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Grundlagen Energie-undStoffumwandlungen Energieumwandlungen Stoffumwandlungen Energie- und Stoffumwandlungen in technischen Prozessen AllgemeineSchlussfolgerungen DiethermodynamischeAnalyse DasthermodynamischeSystem DasSystemalsfluidePhase Prozess und Zustandsänderung Kontrollfragen Fluide Phasen Materiemenge und thermische Zustandsgrößen DieMateriemenge DasVolumen DerDruck DieTemperatur Reinstoffe DerGaszustand VerdampfungundKondensation DasNassdampfgebiet Kritischer Punkt und Tripelpunkt SchmelzenundErstarren DasgesamteZustandsgebiet Gemische VerdampfungundKondensation Verdunstung und Absorption Entmischung in flüssigengemischen SchmelzenundErstarreninGemischen ChemischeEigenschaften Stoffmodelle fürreinstoffe DieDampftafel... 84

8 VIII Inhaltsverzeichnis Gase bei niedrigen Drücken Flüssigkeiten Stoffmodelle fürgemische Partielle Größen Gasgemische Gas/Dampf-Gemische FlüssigeGemische Kontrollfragen Aufgaben Die Materiemengenbilanz Materiemengenbilanz bei thermischen Energie- und Stoffumwandlungen UmwandlungenreinerStoffe UmwandlungenvonGemischen Materiemengenbilanz bei chemischen Energie- und Stoffumwandlungen VollständigablaufendeReaktionen UnvollständigablaufendeReaktionen DieElementenbilanz Kontrollfragen Aufgaben Die Energiebilanz DieErscheinungsformenderEnergie MechanischeEnergieformen InnereEnergieundEnthalpie Die Energieform Wärme Energiebilanzgleichungen GeschlosseneSysteme OffeneSysteme Kreisprozesse Energiebilanzen bei thermischen Zustandsänderungen ProzessemitreinenStoffen ProzessemitGemischen Energiebilanzen bei chemischen Zustandsänderungen ThermischerundchemischerAnteil Die Standardbildungsenthalpie DerHeizwert DasEnergieflussbild Kontrollfragen Aufgaben

9 Inhaltsverzeichnis IX 5. Die Entropiebilanz Entropie ReversibilitätundDissipation Dissipation, WärmeundEntropie Entropieproduktion bei Energietransfer über Temperatur-undDruckdifferenzen Entropiebilanzund2.Hauptsatz EntropieundOrdnung Die Entropie als Zustandsgröße DieFundamentalgleichung DiethermodynamischeTemperatur ReineGase Reine Flüssigkeiten Reine Stoffe im gesamten Zustandsgebiet Gasgemische Gas/Dampf-Gemische FlüssigeGemische Die Entropie bei chemischen Zustandsänderungen DieReaktionsentropie Der Entropienullpunkt Entropie und Energiequalität ExergieundAnergie DieExergieeinesStoffstromes Exergieverlust und Entropieproduktion ExergetischeBewertung Kontrollfragen Aufgaben Modellprozesse für Energieumwandlungen Grundprozesse Reversible Strömungsprozesse Reversibel-isothermeArbeitsprozesse Reversibel-adiabateProzesse Die Umwandlung von Brennstoffenergie in Arbeit DasDampfkraftwerk DieGasturbine DasKombi-Kraftwerk DasStrahltriebwerk Verbrennungsmotoren Wärme- und Kälteerzeugung Die Wärmepumpe Kraft-Wärme-Kopplung AbweichungenvomreversiblenProzess IsentropeWirkungsgrade PolytropeWirkungsgrade

10 X Inhaltsverzeichnis 6.5 Kontrollfragen Aufgaben Modellprozesse für Stoffumwandlungen Grundprozesse Die Grundtypen der Ausgleichsprozesse DaschemischePotenzial Ausgleichsprozesse und Gleichgewicht in abgeschlossenensystemen Ausgleichsprozesse und Gleichgewicht in technischen Anlagen ThermodynamischeGleichgewichte Das Verdampfungs- und Kondensationsgleichgewicht Das Verdunstungs- und Absorptionsgleichgewicht DasReaktionsgleichgewicht ThermischeStoffumwandlungen Wärmeübertragung Die Verdunstung DieAbsorption DieRektifikation ChemischeStoffumwandlungen DerisothermeReaktor DeradiabateReaktor ReaktormitTemperaturprofil AbweichungenvomGleichgewichtsprozess Wirkungsgrad eines Wärmeübertragers Wirkungsgrad einer thermischen Trennstufe Wirkungsgrad einer chemischen Stoffumwandlung Kontrollfragen Aufgaben Anhang A Stoffdaten TabelleA TabelleA TabelleA TabelleA TabelleA TabelleA Abbildung A Anhang B Wichtige Formeln B1 Stoffmodelle fürreinstoffe B2 Stoffmodelle fürgemische B3 Stoffmodelle für Phasen- und Reaktionsgleichgewichte

11 Inhaltsverzeichnis XI B4 Berechnung der Enthalpie und Entropie aus der thermischen Zustandsgleichung p = p(t,υ) B5 Materiemengenbilanzen B6 Energiebilanzen B7 Arbeit und Wärme bei quasistatischer Zustandsänderung B8 Isentrope und polytrope Zustandsänderungen idealer Gase B9 Verbrennung B10 BeiträgezurirreversiblenEntropieproduktion B11 Wirkungsgrade B12 Exergieformeln Anhang C Einheiten Anhang D Antworten auf die Kontrollfragen Anhang E Ergebnisse der Aufgaben Sachverzeichnis

12 Formelzeichen a) Lateinische Formelbuchstaben A a a i b Ḃ Q c C p,c V c p,c v E E Q E V e h e V F G g H Ḣ H i H o H u h h f,0 (g) h f,0 (l) h f,0 (aq) h v h m K Fläche; freie Energie spezifische oder molare freie Energie Aktivität der Komponente i Beschleunigung; spezifische oder molare Anergie Anergie eines Wärmestroms Geschwindigkeit; spezifische oder molare Wärmekapazität isobare bzw. isochore Wärmekapazität spezifische oder molare isobare bzw. isochore Wärmekapazität Energieinhalt, Gesamtenergie eines Systems, Exergie Exergie eines Wärmestromes Exergieverlust spezifische oder molare Exergie der Enthalpie spezifischer oder molarer Exergieverlust Kraft freie Enthalpie spezifische oder molare freie Enthalpie; Erdbeschleunigung; gasförmig Enthalpie Enthalpiestrom Henry-Koeffizient der Komponente i spezifischer oder molarer Brennwert spezifischer oder molarer Heizwert spezifische oder molare Enthalpie spezifische oder molare Standardbildungsenthalpie im Gaszustand spezifische oder molare Standardbildungsenthalpie im flüssigen Zustand spezifische oder molare Standardbildungsenthalpie im Zustand der ideal verdünnten wässrigen Lösung spezifische oder molare Verdampfungsenthalpie spezifische oder molare Schmelzenthalpie Gleichgewichtskonstante

13 XIV Formelzeichen k k l M M d m ṁ m i N N A n ṅ n d o min P p Q Q q q R r S Ṡ Ṡirr S i Ṡ i s s irr T T m t U u V V v W w w t w i x x i z Boltzmann-Konstante Wärmedurchgangskoeffizient; Kondensatmenge im Rauchgas bezogene Luftmenge; flüssig Molmasse Drehmoment Masse Massenstrom Molalität der Komponente i Teilchenzahl Avogadro-Konstante Stoffmenge; Polytropenexponent Stoffmengenstrom Drehzahl spezifischer oder molarer Mindestsauerstoffbedarf Leistung Druck Wärme Wärmestrom spezifische oder molare Wärme Wärmestromdichte allgemeine Gaskonstante spezifische oder molare Verdampfungsenthalpie Entropie Entropiestrom Entropieproduktionsstrom innere Entropieerzeugung Strom der inneren Entropieerzeugung spezifische oder molare Entropie spezifische oder molare Entropieerzeugung thermodynamische Temperatur thermodynamische Mitteltemperatur Celsius-Temperatur Innere Energie spezifische oder molare innere Energie Volumen Volumenstrom spezifisches oder molares Volumen; bezogene Abgasstoffmenge Arbeit spezifische oder molare Arbeit spezifische oder molare technische Arbeit Massenanteil der Komponente Dampfgehalt; Wasserbeladung feuchter Luft Stoffmengenanteil der Komponente i Höhenkoordinate; Zustandsgröße

14 Formelzeichen XV b) Griechische Formelbuchstaben α Wärmeübergangskoeffizient; relative Flüchtigkeit β Wärmeverhältnis; Stromausbeute γ i Aktivitätskoeffizient der Komponente i ε Leistungszahl einer Wärmepumpe ε 0 Leistungszahl einer Kältemaschine ζ exergetischer Wirkungsgrad η (energetischer) Wirkungsgrad η C Carnot - Faktor η th thermischer Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine η S isentroper Wirkungsgrad Θ ig Temperatur des idealen Gasthermometers κ Isentropenexponent λ Luftverhältnis; Wärmeleitfähigkeit µ i chemisches Potenzial der Komponente i ν Polytropenverhältnis ν i stöchiometrischer Koeffizient der Komponente i ρ Dichte ξ Reaktionslaufzahl τ Zeit ϕ relative Feuchte ω Winkelgeschwindigkeit; Gesamtwirkungsgrad c) Indizes 0 Bezugszustand 1, 2, 3... Zustände 1,2, Doppelindex: Prozessgröße eines Prozesses, der vom Zustand 1indenZustand2führt A,B,... Systeme A,B,... a Austrittsquerschnitt ad adiabat B Brennstoff e Eintrittsquerschnitt f Phasenwert i Komponente i in einem Gemisch; im Systeminneren K Kessel, Kolben k kritisch L Luft 0i reine Komponente i P polytrop S isentrop s Sättigung

15 XVI Formelzeichen T t tr u V Taupunkt, Turbine technisch Tripelpunkt Umgebung Verdichter; Verbrennungsgas; Volumenänderung d) Suffices 0 Standardwert irr irreversibel rev reversibel siedender Zustand gesättigter Zustand V Verbrennungsgas if ideale Flüssigkeit ig ideales Gas ivl ideal verdünnte Lösung l,l flüssig s fest g,g gasförmig

16 1. Allgemeine Grundlagen Unsere Gesellschaft beruht auf der Nutzung von Energie und Materie. Energie und Materie stehen uns als natürliche Ressourcen in ausreichender Menge zur Verfügung, allerdings nicht in den Formen, die wir benötigen. Die benötigten Formen müssen durch Energie- und Stoffumwandlungen aus natürlichen Ressourcen gewonnen werden. Die Planung und Optimierung technischer Energie- und Stoffumwandlungen ist in nahezu allen Prozessen unserer Industriegesellschaft von großer Bedeutung. Ihre vorrangigen Ziele sind die Schonung der natürlichen Rohstoffe und die Bereitstellung der gewünschten Energie- und Stoffformen mit einem Höchstmaß an Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit. Technikbereiche, in denen Energie- und Stoffumwandlungen über ihre allgemeine Bedeutung hinaus eine besondere Rolle spielen, sind die Energietechnik und die Verfahrenstechnik. Die Energietechnik befasst sich mit der Erzeugung der gewünschten Energieformen aus den natürlichen Energiespeichern der Erde sowie ihren Umwandlungen ineinander. Gegenstand der Verfahrenstechnik ist die Produktion gewünschter Stoffformen aus den natürlichen Materiespeichern der Erde und ihre Umwandlung ineinander. Die Prozesse der Energie- und Verfahrenstechnik sind nicht unabhängig voneinander. Energieumwandlungen werden von Stoffumwandlungen begleitet und Stoffumwandlungen von Energieumwandlungen. Auch prinzipiell hängen Energie- und Stoffumwandlungen eng zusammen. Sie unterliegen gemeinsamen Naturgesetzen. Diese gemeinsamen Grundgesetze der Energie- und Stoffumwandlungen werden in der Thermodynamik formuliert. 1.1 Energie- und Stoffumwandlungen Energie- und Stoffumwandlungen sind im Detail vielfältig und komplex. Dennoch lassen sich bereits bei oberflächlicher Betrachtung einige Gesetzmäßigkeiten erkennen, die ihre Analyse erleichtern. Obwohl Energie- und Stoffumwandlungen in der Regel gekoppelt auftreten, ist es hierzu sinnvoll, sie getrennt zu betrachten.

17 2 1 Allgemeine Grundlagen Energieumwandlungen In unserer Gesellschaft wird Energie im Wesentlichen in zweierlei Weise genutzt. Zum einen benötigen wir Energie in Form von Wärme, um begrenzte Teile unserer Umgebung, wie z.b. Häuser, auch im Winter auf einer angenehmen Temperatur zu halten oder technische Prozesse bei hohen Temperaturen ablaufen zu lassen. Wir sprechen von Raumwärme bzw. Prozesswärme. Zum anderen brauchen wir Energie in Form von mechanischer Arbeit zum Antrieb von Fahrzeugen oder Maschinen. Wärme und Arbeit sind also die beiden wesentlichen Nutzenergieformen. Die Energieformen Wärme und Arbeit kommen nur in unwesentlicher Menge in der Natur vor. Sie müssen daher aus Energievorräten der Natur, so genannter Primärenergie, durch Energieumwandlung erzeugt werden. Allgemein versteht man unter Energieumwandlungen Prozesse, in denen eine Energieform in eine oder mehrere andere umgewandelt wird. Die energiewirtschaftlichen Daten einer modernen Industriegesellschaft zeigen erhebliche Umwandlungsverluste bei der Bereitstellung der geforderten Nutzenergie aus Primärenergie. Abb. 1.1 ist ein so genanntes Sankey-Diagramm, in dem die Energiemengen durch die Dicke von Pfeilen dargestellt werden. Es entspricht in etwa den Verhältnissen der Bundesrepublik Deutschland. Primärenergieträger sind z.b. Erdöl, Erdgas, Kohle, Uran und regenerative Energieformen. Etwa 15 % der Primärenergieträger werden exportiert, gebunkert oder einer nichtenergetischen Nutzung, z.b. als Rohstoff für Stoffumwandlungen, zugeführt und damit der weiteren energiewirtschaftlichen Nutzung entzogen. Der Rest wird in einem ersten Umwandlungsschritt in so genannte Endenergie umgewandelt. Endenergie umfasst diejenigen Energieformen, mit denen der Verbraucher beliefert wird, z.b. elektrische Energie oder Raffinerieprodukte wie Heizöl, Treibstoffe und aufbereitete gasförmige Brennstoffe. Insgesamt bleiben etwa 30 % der zur Umwandlung in Endenergie eingesetzten Primärenergie ungenutzt. Dabei sind die hohen Verluste in Kraftwerken besonders auffällig. Bei der Umwandlung der Endenergie in Nutzenergie, also Raum- und Prozesswärme sowie mechanische Arbeit, ergeben sich weitere Umwandlungsverluste. Nur etwa 50 % der Endenergie werden als Nutzenergie zur Verfügung gestellt. Dabei ist für die hohen Umwandlungsverluste bei der Umwandlung von Endenergie in mechanische Arbeit im Wesentlichen die mangelhafte Energienutzung der Treibstoffe im Verkehrsbereich verantwortlich, während die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Antriebsenergie nahezu verlustlos abläuft. Insgesamt kommen nur etwa 35 % der zur Erzeugung von Nutzenergie eingesetzten Primärenergie dem Verbraucher zugute. Es gehört zu den Aufgaben der Thermodynamik, die dafür verantwortlichen Umwandlungsverluste zu analysieren und Wege aufzuzeigen, sie im Rahmen der einschränkenden Naturgesetze zu minimieren. Wärme und Arbeit gehören zur gleichen Größenart, nämlich Energie. Beide Energieformen haben gemeinsam, dass sie bei energetischen Wechselwirkungen zwischen zwei Objekten in Erscheinung treten. Wärme ist dabei die

18 1.1 Energie- und Stoffumwandlungen 3 2 H E H A A H C EA H = BJM A H A 4 = BBE A H EA! % ' $ # ) > M H A A H A E $ # # 5 I JEC A % # - J K C = K I - A H C EA M EH JI? D = BJ # # # ) > M H A ) > M H A & ) > M H A % A A H C EA $ 4 = K D A E K C 2 H A I I M H A A? D ) H > A EJ ' % " ) > M H A # ' K J A A H C EA! ) > M H A Abb Von der Primärenergie zur Nutzenergie Energieform, die bei der Wechselwirkung zwischen Objekten unterschiedlicher Temperatur auftritt. Wenn z.b. ein Behälter mit heißem Wasser in einen kühlen Raum gestellt wird, dann fließt Wärme von dem heißen Wasser in den kühlen Raum, sofern dies nicht durch eine thermische Isolierung behindert wird. Jede andere energetische Wechselwirkung zwischen zwei Objekten bezeichnen wir als Arbeit. Mit dieser Definition gehen wir über die bekannte Definition der mechanischen Arbeit als Kraft multipliziert mit der Verschiebung des Kraftangriffspunktes hinaus. In der hier betrachteten Allgemeinheit sind die Energieformen Wärme und Arbeit nicht immer leicht zu unterscheiden. Jeder Zweifel, ob eine betrachtete energetische Wechselwirkung zwischen zwei Systemen Wärme oder Arbeit ist, kann aber durch ein einfaches Gedankenexperiment behoben werden. Wir wiederholen die Wechselwirkung gedanklich mit einem thermischen Isolator zwischen beiden Objekten. Wird der Vorgang durch den Isolator verändert, dann ist Wärme beteiligt. Wenn nicht, dann bezeichnen wir die energetische Wechselwirkung als Arbeit. Abb. 1.2 zeigt eine elektrische Batterie, die an eine Heizplatte angeschlossen ist, auf der ein Behälter mit kaltem Wasser steht. Es besteht offenbar eine energetische

19 4 1 Allgemeine Grundlagen * = JJA H EA 9 = I I A H 0 A E F = JJA - A H C EA JH = I BA H = I 9 H A - A H C EA JH = I BA H = I ) H > A EJ Abb Zur Unterscheidung von Wärme und Arbeit Wechselwirkung zwischen der Batterie und dem Wasser, denn die Batterie entlädt sich und das Wasser wird wärmer. Die Klassifizierung dieser Wechselwirkung als Wärme oder Arbeit hängt von der Definition der Objekte ab, die miteinander in Wechselwirkung treten. Definiert man als das eine Objekt die Batterie (gestrichelte Linie) und als das zweite Objekt den Rest, dann ist die Wechselwirkung Arbeit, insbesondere elektrische Arbeit. Der Vorgang wird nicht dadurch behindert, dass wir die Batterie durch einen thermischen Isolator vom restlichen System abschirmen. Definieren wir aber als das eine Objekt Batterie und Heizplatte (punktierte Linie) und als das andere den Wasserbehälter, so ist die Wechselwirkung als Wärme anzusehen. Eine thermische Isolierung um Batterie und Heizplatte würde die Aufwärmung des Wassers zweifellos behindern. Die Umwandlung von Energieformen ineinander unterliegt einschränkenden Naturgesetzen, die die in Abb. 1.1 dargestellten Verhältnisse qualitativ erklären. Zunächst ist um die Mitte des neunzehnten Jahrhunderts erkannt geworden, dass Energie insgesamt nicht produziert oder vernichtet werden kann. Die Gesamtenergie bleibt bei allen Umwandlungen erhalten, d.h. es gilt ein Erhaltungssatz der Energie. Die Entdeckung des Energieerhaltungssatzes wird häufig auf das Jahr 1842 datiert und R. Mayer zugeschrieben, obwohl zahlreiche Forscher unabhängig voneinander daran beteiligt waren. Das Prinzip der Energieerhaltung lässt sich qualitativ an einfachen Beispielen erläutern. Wenn ein Bohrer ein Loch in ein Stahlstück bohrt, so ist nach Ablauf dieses Prozesses die dazu als Arbeit der drehenden Bohrerwelle zugeführte Energie nicht vernichtet, sondern findet sich in anderer Form im Stahlstück und seiner Umgebung wieder. Stahlstück und Bohrer werden heiß und geben Wärme an die Umgebung ab. Würde diese Wärme z.b. in einem Kühlmittel ohne Verlust aufgefangen und gemessen, so würde man finden, dass sie mengenmäßig der der Bohrerwelle zugeführten Arbeit gleich

20 1.1 Energie- und Stoffumwandlungen 5 ist 1. Wenn Brennstoff in einem Kraftwerk in Arbeit der Turbinenwelle umgewandelt wird, so kommt nicht der gesamte Energieinhalt des Brennstoffs als Arbeit an der Turbinenwelle an. Dennoch geht insgesamt keine Energie verloren. Der Teil der Brennstoffenergie, der nicht als Arbeit der Turbinenwelle wiedergefunden wird, geht als Abwärme des Kraftwerks über den Kühlturm an die Umgebung 2. Das Prinzip der Energieerhaltung bedeutet, dass man bei Energieumwandlungen immer nur so viel Energie aus einem System gewinnen kann wie man zuvor in anderer Form hineingesteckt hat. Der Begriff der Energieerzeugung ist also insgesamt falsch und sollte nur in Bezug auf bestimmte Energieformen angewandt werden, z.b. die Erzeugung von Strom aus Brennstoff. Umgekehrt bedeutet das Prinzip der Energieerhaltung, dass man keine Energie verlieren kann. Man sollte daher nicht pauschal von Energieverlust oder Energieverbrauch sprechen, sondern auch diese Begriffe auf bestimmte Energieformen beschränken. So wird in der Tat beim Bohren eines Loches in ein Stahlstück elektrische Energie verbraucht, obwohl dabei insgesamt die Energie erhalten bleibt. In Abb. 1.1 kommt das Energieerhaltungsprinzip darin zum Ausdruck, dass sich alle normierten Energieströme zu den eingesetzten 100 Einheiten addieren. Ein zweites einschränkendes Naturgesetz für die Energieumwandlungen besteht darin, dass sie nicht symmetrisch sind. Eine aus einer Energieumwandlung gewonnene Energieform reicht nicht aus, den Prozess umzukehren und die ursprüngliche Energieform wieder herzustellen. Schon bei dem einfachen Beispiel des Bohrers, der ein Loch in ein Stahlstück bohrt, wird dies deutlich. Die dem Bohrer als Arbeit zugeführte Energie bleibt zwar der Menge nach erhalten, wird aber durch Reibung vollständig als Wärme an die Umgebung abgegeben. Einmal in der Umgebung angekommen, steht sie offensichtlich nicht mehr zum Antrieb des Bohrers zur Verfügung. Selbst in der Form eines aufgeheizten Kühlmittels ließe sich aus ihr nicht die ursprünglich aufgewändete Arbeit zurückgewinnen. Dieses Beispiel lässt sich verallgemeinern. Arbeit verwandelt sich vollständig in Wärme, ohne dass es dazu einer besonderen Technologie bedürfte. Die Umwandlung von Arbeit in Wärme ist ganz allgemein ein primitiver Prozess, der schon den Urmenschen bekannt war. Erfunktioniertsozusagenvonselbstund ohneeinschränkung. Ganz anders ist es mit der Umwandlung von Wärme in Arbeit. Eine Umwandlung von Wärme in Arbeit funktioniert keineswegs von selbst, sondern ist nur durch eine aufwändige Technologie zu realisieren, z.b. in einem Kraftwerk oder in einem Motor. Sie ist insbesondere beschränkt. Selbst bei Einsatz solcher Technologie gelingt die Umwandlung von Wärme in Arbeit nicht vollständig, wie die riesigen Kühltürme der Kraftwerke oder die Motorkühlung und die heißen Motorabgase deutlich zeigen. Stets muss ein großer Teil der eingesetz- 1 Von kleinen Energiemengen wie Verformungsenergie, Schallenergie u.a.m. wird hierbei abgesehen. 2 Eine kleinere Energiemenge geht zusätzlich mit dem Abgas der Feuerung und als Abwärme heißer Bauteile ungenutzt an die Umgebung.