-aus theoretischen Ansätzen - Approximationen

Ähnliche Dokumente
Thermodynamik I. Sommersemester 2012 Kapitel 2, Teil 2. Prof. Dr. Ing. Heinz Pitsch

2.3 Stoffmodelle für Reinstoffe Die Dampftabelle ... MPa C m 3 /kg m 3 /kg ... 0, ,23 0, ,

Thermodynamik I. Prof. Dr.-Ing. Heinz Pitsch. Kapitel 2. Zustandsgrößen

Thermodynamik I. Sommersemester 2012 Kapitel 2 Zustandsgrößen. Prof. Dr.- Ing. Heinz Pitsch

Thermodynamik II. für den Studiengang Computational Engineering Science. H. Pitsch, B. Binninger Institut für Technische Verbrennung Templergraben 64

Thermodynamik II. für den Studiengang Computational Engineering Science. H. Pitsch, B. Binninger Institut für Technische Verbrennung Templergraben 64

Thermodynamik II. für den Studiengang Computational Engineering Science. B. Binninger Institut für Technische Verbrennung

Molzahl: n = N/N A [n] = mol N ist die Anzahl der Atome oder Moleküle des Stoffes. Molmasse oder Molekularmasse: M [M ]= kg/kmol

d) Das ideale Gas makroskopisch

Physik 4 Praktikum Auswertung Zustandsdiagramm Ethan

Thermodynamik I. Sommersemester 2012 Kapitel 2, Teil 1. Prof. Dr. Ing. Heinz Pitsch

2. Fluide Phasen. 2.1 Die thermischen Zustandsgrößen Masse m [m] = kg

4 Thermodynamik mikroskopisch: kinetische Gastheorie makroskopisch: System:

Thermodynamik I. Sommersemester 2012 Kapitel 3, Teil 3. Prof. Dr.-Ing. Heinz Pitsch

Q i + j. dτ = i. - keine pot. und kin. Energien: depot. - adiabate ZÄ: Q i = 0 - keine technische Arbeit: Ẇ t,j = 0

Enthalpienullpunkt von Luft und Wasser am Tripelpunkt des siedenden Wassers T=T tr = 273,16 K:

Thermodynamik I Formeln

Die 4 Phasen des Carnot-Prozesses

8. Mehrkomponentensysteme. 8.1 Partielle molare Größen. Experiment 1 unter Umgebungsdruck p:

Die Zustandsgleichung realer Gase

3.4 Änderung des Aggregatzustandes

Reale Gase. Versuch: RG. Inhaltsverzeichnis. Fachrichtung Physik. Erstellt: E. Beyer Aktualisiert: am Physikalisches Grundpraktikum

Thermodynamik 1 Klausur 08. September 2016

Die kinetische Gastheorie beruht auf den folgenden drei Annahmen:

8.4.5 Wasser sieden bei Zimmertemperatur ******

Lehrbuch der Thermodynamik

Inhalt 1 Grundlagen der Thermodynamik

Physikalische Chemie 0 Klausur, 22. Oktober 2011

Grundlagen der Physik II

Einführung in die Technische Thermodynamik

Thermodynamik 1. Typen der thermodynamischen Systeme. Intensive und extensive Zustandsgröße. Phasenübergänge. Ausdehnung bei Erwärmung.

Physikalisch-chemische Grundlagen der thermischen Verfahrenstechnik

P = P(T, v) = k BT v b a v 2 (37.1)

Skript zur Vorlesung

Thermodynamik des Kraftfahrzeugs

1. Klausur ist am 5.12.! (für Vets sowie Bonuspunkte für Zahni-Praktikum) Jetzt lernen!

Praktikum Physikalische Chemie I. Versuch 4. p, V, T - Verhalten realer Gase am Beispiel von SF 6

Antrieb und Wärmebilanz bei Phasenübergängen. Speyer, März 2007

Inhaltsverzeichnis. Formelzeichen...XIII. 1 Einleitung Einheiten physikalischer Größen...3

Dampfdruck von Flüssigkeiten (Clausius-Clapeyron' sche Gleichung)

Thermodynamik I. Sommersemester 2012 Kapitel 4, Teil 1. Prof. Dr.-Ing. Heinz Pitsch

Liste der Formelzeichen. A. Thermodynamik der Gemische 1

2.1 Bestimmung einiger Isothermen von Schwefelhexafluorid SF 6

Mischphasenthermodynamik Prüfung

Grundlagen der Physik II

4.6.5 Dritter Hauptsatz der Thermodynamik

A 1.1 a Wie groß ist das Molvolumen von Helium, flüssigem Wasser, Kupfer, Stickstoff und Sauerstoff bei 1 bar und 25 C?

8.2 Thermodynamische Gleichgewichte, insbesondere Gleichgewichte in Mehrkomponentensystemen Mechanisches und thermisches Gleichgewicht

Thermodynamik des Kraftfahrzeugs

Hans Dieter Baehr. Thermodynamik. Eine Einführung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen. Vierte, berichtigte Auflage

Grundlagen der Allgemeinen und Anorganischen Chemie. Atome

Vorlesung Statistische Mechanik: Ising-Modell

1. Wärmelehre 1.1. Temperatur. Physikalische Grundeinheiten : Die Internationalen Basiseinheiten SI (frz. Système international d unités)

Grundlagen der statistischen Physik und Thermodynamik

Thermodynamik mit Mathcad

Physikalisches Anfaengerpraktikum. Zustandsgleichung idealer Gase und kritischer Punkt

Thermodynamik. Springer. Peter Stephan Karlheinz Schaber Karl Stephan Franz Mayinger. Grundlagen und technische Anwendungen Band 1: Einstoffsysteme

O. Sternal, V. Hankele. 5. Thermodynamik

1 Thermodynamik allgemein

Bernhard Härder. Einführung in die PHYSIKALISCHE CHEMIE ein Lehrbuch Chemische Thermodynamik W/ WESTAR.P WISSENSCHAFTEN. Skripte, Lehrbücher Band 2

T 1 T T Zustandsverhalten einfacher Systeme (Starthilfe S ) - Prozess und Zustandsänderung. Prozess (Q 12

Aufgabe 1 (60 Punkte, TTS & TTD1) Bitte alles LESBAR verfassen!!!

Werner Langbein. Thermodynamik. Gleichgewicht, Irreversible Prozesse, Schwankungen. Verlag Harri Deutsch

Klausur zur Vorlesung Thermodynamik

3 Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik

Versuch Beschreiben Sie die Vorgänge, die in der Nähe des kritischen Punktes zu beobachten sind.

3.2 Thermodynamische Gleichgewichte in Mehrkomponentensystemen

Zustandsbeschreibungen

Wärmelehre Zustandsänderungen ideales Gases

Modelle zur Beschreibung von Gasen und deren Eigenschaften

Institut für Physikalische Chemie Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Klasse : Name : Datum :

Thermodynamik. Eine Einführung in die Grundlagen. Von. Dr.-Ing. Hans Dieter Baehr. o. Professor an der Technischen Hochschule Braunschweig

Physikalische Aspekte der Respiration

E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 6. Vorlesung

Physikalische Chemie Physikalische Chemie I SoSe 2009 Prof. Dr. Norbert Hampp 1/9 1. Das Ideale Gas. Thermodynamik

Mögliche Klausurfragen und aufgaben (Beispiele mit keinem Anspruch auf Vollständigkeit)

Probeklausur STATISTISCHE PHYSIK PLUS

Thermodynamik II. Studiengang Computational Engineering Science. B. Binninger Institut für Technische Verbrennung

Thermodynamik. Grundlagen und technische Anwendungen

Kapitel 10 - Gase. Kapitel 10 - Gase. Gase bestehen aus räumlich weit voneinander getrennten Atome/Moleküle in schneller Bewegung

Grundlagen der Physik II

Gesetz von Boyle. Empirisch wurde beobachtet, dass bei konstanter Temperatur gilt: p.v = Konstant bzw V 1 / p bzw p 1 / V.

Literatur. [1] Cerbe, G. / Hoffmann, H.-J. Einführung in die Thermodynamik Carl Hanser Verlag 2002 Preis ca. 29,90

Lehrbuch Chemische Technologie

Physikalisches Praktikum I

Formel X Leistungskurs Physik 2001/2002

Inhaltsverzeichnis. Formelzeichen. 1 Einleitung 1. 2 Einheiten physikalischer Größen 3

1. Vakuumphysik und technik: Grundlagen. Prof. Dr. Paul Seidel VL Vakuum- und Dünnschichtphysik WS 2014/15

Kleine Formelsammlung Technische Thermodynamik

Übungsaufgaben Technische Thermodynamik

Kleine Formelsammlung Technische Thermodynamik

8.2 Thermodynamische Gleichgewichte, insbesondere Gleichgewichte in Mehrkomponentensystemen Mechanisches und thermisches Gleichgewicht

Übungsfragen zur Lehrveranstaltung Stoffdatenermittlung

Carnotscher Kreisprozess

2 Grundbegriffe der Thermodynamik

Thermodynamik 1 Klausur 02. August 2010

Physikalische Chemie 1

Repetitorium. Thermodynamik. 3., überarbeitete und ergänzte Auflage. von. Wilhelm Schneider. unter Mitarbeit von. Stefan Haas und Karl Ponweiser

Thermodynamische Hauptsätze, Kreisprozesse Übung

Transkript:

2.3 Bestimmung von Zustandsgrößen Zustand wird bestimmt durch zwei unabhängige, intensive Zustandsgrößen Bestimmung anderer Zustandsgrößen aus Stoffmodellen Zustandsgleichungen Stoffmodelle aus - Experimenten Beispiel -aus theoretischen Ansätzen - Approximationen Stoffmodelle gegeben als - Diagramme - Tabellen - analytische Gleichungen, besonders als Approximation idealer Fluide Tabellen und Diagramme üblicherweise phasenspezifisch zunächst Bestimmung der Phase geeignete Zustandsgleichung 2.3-1

2.3.1 Bestimmung der Phase Sättigungskurve beschreibt p,t-beziehung am Phasenübergang - Temperaturtabelle - Drucktabelle Für gegebenen Zustand (z. B. p, T ) kann daraus die Phase sofort bestimmt werden 2.3-2

Bezeichnungen verschiedener Phasen 2.3-3

2.3.2 Der Sättigungszustand Temperaturtafel für Wasser 2.3-4

2.3-5

Festlegung des Zustandes im Nassdampfgebiet Nassdampfgebiet setzt sich anteilig je nach Dampfgehalt aus gesättigten Zuständen zusammen. Aus folgt das Hebelgesetz: 2.3-6

Beispiel Wasser: 60 kg Nassdampf bei p = 2 bar = 0,2 MPa und V = 3 m 3, v = 0,05 m 3 /kg Drucktafel... MPa C m 3 /kg m 3 /kg............... 0,200 120,23 0,001061 0,8857.................. Dampfgehalt: 2.3-7

2.3.3 Überhitzter Dampf Daten für Wasser 2.3-8

2.3.4 Unterkühlte Flüssigkeit 2.3-9

2.3.5 Die inkompressible Flüssigkeit Für die relative Volumenänderung von Flüssigkeiten kann man schreiben Volumenausdehnungskoeffizient: Kompressibilität: Bei Druckänderungen ändert sich das spezifische Volumen einer realen Flüssigkeit nur sehr wenig (Anwendung Hydraulik). 2.3-10

Mit der Annahme erhalten wir Spez. Volumen Spez. Innere Energie: Spez. Enthalpie: Eine vollständig inkompressible Flüssigkeit, wird als ideale Flüssigkeit mit bezeichnet. Reale Flüssigkeiten nähern sich diesem Verhalten umso besser an je kleiner die Temperatur ist. 2.3-11

2.3.6 Thermische Zustandsgleichung für ein ideales Gas Ideales Verhalten für p 0: Intermolekulare Kräfte und Ausdehnung sowie Interaktion der Moleküle klein Allgemeine Gaskonstante: Verschiedene Formen der thermischen Zustandsgleichung molares Volumen: Molmasse: Spezifisches Volumen: Spezielle Gaskonstante: 2.3-12

Abweichung Wasserdampf / ideales Gasverhalten 2.3-13

Beispiel: Druckausgleich (mechanisches Gleichgewicht) bei konstanter Temperatur Der diatherme Kolben zwischen den Teilvolumen ist zunächst arretiert. Welcher Endzustand stellt sich für ein ideales Gas ein? Lösungsansatz: Teilchenzahl in den Teilvolumen bleibt erhalten Vorher Nachher 2.3-14

2.3.7 Thermische Zustandsgleichung für ein reales Gas Allgemeine Formulierung einer Zustandsgleichung: Die Grafik zeigt qualitativ den Verlauf der Isothermen eines realen Gases. Eine geschlossene theoretische Beschreibung des im Diagramm dargestellten funktionalen Zusammenhangs ist bisher nicht gelungen. Im kritischen Punkt gilt offensichtlich: 2.3-15

Van-der-Waals-Gleichung (1873) Ein erster Versuch der theoretischen Beschreibung geht auf den holländischen Forscher J. D. van der Waals zurück. Korrektur für endliches Volumen der Atome: Korrektur für Anziehungskräfte zwischen den Atomen, hervorgerufen durch unsymmetrische Ladungsverteilungen in der Elektronenhülle: Johannes Diderik van der Waals 1837-1923, Physiknobelpreis 1910 oder 2.3-16

Beispiel für eine Anwendung der Van-der-Waals-Kräfte in der Natur: Geckos benutzen die Van-der-Waals-Kräfte, um sich an glatten Wänden zum Beispiel an Glas zu halten. Dazu sind ihre Füße mit feinsten Härchen besetzt, die eine große Kontaktfläche ermöglichen und sich kleinsten Unebenheiten des Untergrundes anpassen und ermöglichen eine sehr große Kontaktfläche. Trotzdem bleibt kein Staub an den Füßen haften, der die Behaarung wirkungslos machen würde. Geckos putzen ihre Füße nicht! Der Mechanismus, der dies verhindert, wurde erst kürzlich geklärt: "Proceedings of the National Academy of Sciences" (Bd. 102, 2005, S. 385) Gecko 2.3-17

Die Einführung der anziehenden Molekülkräfte und der Abstoßung durch das endliche Volumen in der Van-der-Waalsschen Zustandsgleichung ermöglicht die Beschreibung des Phasenübergangs Gas-Flüssigkeit. Die freien Parameter werden aus den Bedingungen am kritischen Zustand ermittelt: Das liefert: 2.3-18

Eingesetzt in die Zustandsgleichung ergibt sich: Daraus folgt auch der von van der Waals postulierte für alle Gase gültige Zusammenhang zwischen den kritischen Größen 2.3-19

Realgasfaktor für ideales Gas Vergleich mit den am kritischen Punkt aus der Zustandsgleichung von van-der-waals ermittelten Zusammenhang Messwerte: Der Zusammenhang wird von realen Gasen nur schlecht erfüllt. Viele verbesserte Gleichungen wurden entwickelt. Zum Beispiel: Redlich-Kwong (1949), Peng-Robinson (1976), etc. 2.3-20

Corresponding states principle 2.3-21

Virialzustandsgleichung Ausgangspunkt: Ansatz: Die Koeffizienten B, C, müssen so bestimmt werden, dass Bedingungen wie und erfüllt sind. 2.3-22

Der Übergang vom Dampf zur Flüssigkeit Die Isothermen der van-der-waals- Gleichung im p,v-diagramm sind Funktionen dritten Grades. Innerhalb des Nassdampfgebietes definiert die Zustandsgleichung von der siedenden Flüssigkeit ( x=0) bis zum trocken gesättigten Dampf ( x=1) ein Kontinuum von Zwischenzuständen 1-a-b-c-2. Der Übergang wird stetig oder einphasig dargestellt. 2.3-23

Experimentell lassen sich die Zustände tatsächlich herstellen: als überhitzte Flüssigkeit, Kurvenast 1-a (Siedeverzug) oder unterkühlter Dampf, Kurvenast 2-c Beide Zustände sind metastabil. Durch Störungen zerfallen solche Zustände in sehr kleiner Zeit in die beiden Phasen. Solche Störungen können Siede- und Kondensationskeimen sein oder einfach Erschütterungen. Beim Siede- und Kondensationsverzug werden solche metastabile Zustände erreicht. Die Zustände auf dem Kurvenzweig a-c sind nicht experimentell darstellbar, die Zustände sind labil, da hier mit dem Volumen auch der Druck steigt. 2.3-24

2.4 Stoffmodelle für Gemische 2.4.1 Gemisch idealer Gase Daltonsches Gesetz: Jede Gaskomponente füllt den gesamten Raum aus, als ob sie alleine wäre Gesamtdruck: Volumen: Hier also keine Funktion der Zusammensetzung 2.4-1

2.4.2 Gas-Dampf-Gemische, feuchte Luft als Gemisch idealer Gase Nur der Dampf soll bei der Abkühlung kondensieren, nicht die Bestandteile der Luft. Deshalb ist die Luftmasse als Referenzmasse sinnvoll. Partialdruck Dampf Sättigung: (aus Wasserdampftafel) Die Dampfkomponente bildet Flüssigkeit (hier Wasser). In gesättigtem Zustand und T = const ist auch p D = p sat D konstant. Beladung der Luft mit Dampf: Im Sättigungszustand: 2.4-2

Relative Feuchte: Beispiel: Luft bei p=1 bar, ϑ = 25 C und ϕ = 0,7 (70% Luftfeuchtigkeit), M D =18 kg/kmol, M L =28,8 kg/kmol Wasserdampftafel: kg Wasser/ kg trockene Luft 2.4-3

2.4.3 Flüssige Gemische Ideale Lösung (analog zum idealen Gas keine Abhängigkeit von der Zusammensetzung) Exkurs: Reale Lösung Bei der Mischung verändert sich das Volumen gegenüber dem der reinen Stoffe. Dies wird berücksichtigt durch das molare Mischungsvolumen. Zwei Komponenten: Molares Mischungsvolumen für Wasser(1)/Ethanol(2) 2.4-4

Thermodynamische Diagramme Beispiel CO 2 -Feuerlöscher Frage: Hat der Feuerlöscher ein Saugrohr oder nicht? 2.4-5

2.4-6