Wärme- und Strömungstechnik II

1. Wärme- und Strömungstechnik II • Lehrbüche: • Physik für schule und Beruf, Europa-Nr.: 71616 2007/2 • Kraft- und Arbeitmaschinen, Europa-Nr.: 10412 2008/15 • Grundlagen der Technischen Thermodynamik Akademie-Verlag Berlin • Hilfsmaterialen: • http://siva.banki.hu/~szakacs Dr. -Ing. Tamás Szakács, PhD

2. Erste Themen: Wiederholung von Thermodynamik • Grundlage der Thermodynamik • Zustandgleichungen. • Enthalpy. • Der erste und zweite Hauptsätze.

3. Grundlage der Thermodynamik Die Thermodynamik (von altgriechisch thermós „Wärme“ sowie dýnamis „Kraft“), auch als Wärmelehre bezeichnet, ist ein Teilgebiet der klassischen Physik. Sie ist die Lehre der Energie, ihrer Erscheinungsformen und ihrer Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. (http://de.wikipedia.org/wiki/Thermodynamik). Die Thermodynamik bringt Größen wie Energie, Wärme, geleistete Arbeit, Druck und Volumen miteinander in Zusammenhang. Sie erlaubt Aussagen darüber, welche Änderungen an einem System möglich sind und erlaubt Angaben über die hierzu erforderlichen Druck- und Temperaturbedingungen. Sie macht aber keine Aussagen darüber, wie schnell die Prozesse ablaufen oder was dabei mikroskopisch im einzelnen geschieht.

4. Zustandsgrößen: Man nennt Druck, Temperatur, Volumen, Konzentration, usw. Zustandsgrößen. Zustandsgrößen sind durch eine Zustandsgleichung verknüpft (z. B. ideales und reales Gasgesetz). Es genügt die Kenntnis der thermodynamischen Zustandsgleichung, um aus einigen Zustandsgrößen (z. B. Druck, Volumen) andere Zustandsgrößen (z. B. Temperatur) berechnen zu können.

5. Intensive und extensive Zustandsgrößen: Eine intensive Größe ist eine Zustandsgröße, die sich bei unterschiedlicher Größe des betrachteten Systems nicht ändert. Man unterscheidet hierbei systemeigene intensive Größen, wie beispielsweise Temperatur und Druck, und stoffeigene intensive Größen, wie alle molaren und spezifischen Größen reiner Stoffe. Das Gegenstück zu den intensiven Größen sind die extensiven Größen, wie beispielsweise Teilchenzahl, Volumen und Entropie, welche sich mit der Größe des Systems ändern (Skalierung). Das System wird also Volumen- und Massenmäßig (+andere Größen) vergrößert oder verkleinert.

6. Das thermodynamisches System: Ein thermodynamisches System ist ein räumlich eingegrenzt betrachtetes physikalisches System, für das eine Energiebilanz – beim offenen System zusammen mit einer Stoffbilanz – erstellt werden kann. Man unterscheidet offene, geschlossene und abgeschlossene (oder isolierte) Systeme. Bei einem offenen System bezieht man zusätzlich die Umgebung (z. B. bei Wärmeabstrahlung, Materieaustausch) mit ein. Als geschlossen ( abgeschlossen!) ist ein System definiert, das zwar Energie aber keine Materie mit seiner Umgebung austauschen kann. Systeme, die mit einem hermetischen Verschluss vor einem Stoffaustausch bewahrt sind, (hermetisch) geschlossene Systeme bezeichnet.

7. Die Basis der Thermodynamik bilden vier Hauptsätze. Die vier Hauptsätze: 1. Hauptsatz: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energiearten umgewandelt werden. 2. Hauptsatz: Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar. 3. Hauptsatz: Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist unerreichbar. 0. Hauptsatz: Stehen zwei Systeme jeweils mit einem dritten im thermodynamischen Gleichgewicht, so stehen sie auch untereinander im Gleichgewicht.

8. 1. Hauptsatz 1. Hauptsatz: Bilanz für das geschlossene thermodynamische System Der erste Hauptsatz der Thermodynamikist aus dem Satz derEnergieerhaltung abgeleitet: jedes System besitzt eine innere Energie U (=extensive Zustandsgröße). Diese kann sich nur durch den Transport von Energie in Form von Arbeit W und/oder Wärme Q über die Grenze des Systems ändern, das heißt: Dabei ist W die Summe aus der Volumenarbeit und der im System dissipierten Arbeit (z. B. Reibungsarbeit). Die Energie eines abge-schlossenen Systems bleibt unverändert. Verschiedene Energieformen können sich demnach ineinander umwandeln, aber Energie kann weder aus dem Nichts erzeugt noch kann sie vernichtet werden. Deshalb ist ein Perpetuum Mobile erster Art unmöglich (kein System verrichtet Arbeit ohne Zufuhr einer anderen Energieform und/oder ohne Verringerung seiner inneren Energie).

9. Die 2. Hauptsatz Die 2. Hauptsatz ermöglicht die Einführung der thermodynamischen Entropie als Zustandsgröße zur numerischen und anschaulichen Beschreibung von Prozessen (vergl. T-s-Diagramm) und auch die Definition der thermodynamischen Temperatur. Er schränkt die Aussage des ersten Hauptsatzes über die Gleichwertigkeit von Wärme und Arbeit ein und ist damit eines der Fundamente der Thermodynamik, wird aber im Rahmen dieser Theorie nicht begründet. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik in der Formulierung von Clausius lautet: Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist.

10. Die verschiedenen Aussagen In der Formulierung von Clausius lautet: Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist. Einfacher ausgedrückt: Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen. In der Formulierung von Kelvin und Planck lautet: Es gibt keine Zustandsänderung, deren einzige Ergebnisse das Abkühlen eines Körpers und das Heben eines Gewichtes sind. Eine entsprechende Formulierung des zweiten Hauptsatzes lautet: Ein Perpetuum mobile zweiter Art ist unmöglich.

11. Die Entropie • Jeder Körper erhält Entropie • Entropie kann zusammen mit Wärme von einen Körper auf einen anderen übertragen werden • Entropie kann produziert aber niemals vernichtet werden. • Entropie hat Verbindung mit unumkehrbarkeit!