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Für ein thermodynamisches System muss eine Grenze definiert werden, die Systemgrenze. Was sich innerhalb der Systemgrenze befindet ist das System, außerdem des Systems ist die Umgebung. | Für ein thermodynamisches System muss eine Grenze definiert werden, die Systemgrenze. Was sich innerhalb der Systemgrenze befindet ist das System, außerdem des Systems ist die Umgebung. | ||
Den Systemgrenzen werden oft idealisierte Eigenschaften zugeordnet, insbesondere ihrer Durchlässigkeit für Materie und Energie. | Den Systemgrenzen werden oft idealisierte Eigenschaften zugeordnet, insbesondere ihrer Durchlässigkeit für Materie und Energie. | ||
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Der „innere“ (thermodynamische) Zustand wird durch Zustandsgrößen beschrieben, welche die Eigenschaften der Materie innerhalb der Systemgrenzen kennzeichnen. Hierzu gehören z.B. die Masse, der Druck, die Temperatur, die Dichte bzw. das spezifische Volumen. Auch die innere Energie und die Enthalpie sind Zustandsgrößen. | Der „innere“ (thermodynamische) Zustand wird durch Zustandsgrößen beschrieben, welche die Eigenschaften der Materie innerhalb der Systemgrenzen kennzeichnen. Hierzu gehören z.B. die Masse, der Druck, die Temperatur, die Dichte bzw. das spezifische Volumen. Auch die innere Energie und die Enthalpie sind Zustandsgrößen. | ||
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| − | Steht ein thermodynamisches System in Wechselwirkung mit seiner Umgebung, wird z.B. das Volumen des Systems vergrößert oder Energie (Wärme) über die Systemgrenze zu- oder abgeführt, so ändert sich der Zustand des Systems. Die über die Systemgrenzen ausgetauschten Größen Arbeit und Wärme bezeichnet man als Prozeßgrößen. | + | Steht ein thermodynamisches System in Wechselwirkung mit seiner Umgebung, wird z.B. das Volumen des Systems vergrößert oder Energie (Wärme) über die Systemgrenze zu- oder abgeführt, so ändert sich der Zustand des Systems. Die über die Systemgrenzen ausgetauschten Größen Arbeit und Wärme bezeichnet man als Prozeßgrößen. <br /> |
Ein thermodynamisches System ist ein Gedankenmodell. Es wird beschrieben durch | Ein thermodynamisches System ist ein Gedankenmodell. Es wird beschrieben durch | ||
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* die über die Systemgrenzen ausgetauschten Prozessgrößen (Arbeit und Wärme) | * die über die Systemgrenzen ausgetauschten Prozessgrößen (Arbeit und Wärme) | ||
* die Zustandsgrößen, die den inneren Zustand des Systems beschreiben (innere Energie, Temperatur, Druck und Volumen). | * die Zustandsgrößen, die den inneren Zustand des Systems beschreiben (innere Energie, Temperatur, Druck und Volumen). | ||
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| + | Nach Festlegung der Systemgrenzen kann ein thermodynamisches System bilanziert werden. | ||
| − | Vorzeichenkonvention | + | ;Aufstellen von Bilanzgleichungen |
| − | Beim Bilanzieren gibt es eine grundsätzliche Vorzeichenkonvention: Alle Größen, die in das System | + | Fragen: Was geht in das System rein? Was geht aus dem System raus? Was ändert sich im System?<br /> |
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| + | Beim Bilanzieren gibt es eine grundsätzliche Vorzeichenkonvention: Alle Größen, die in das System hineingehen, haben ein positives Vorzeichen (+) und alle die aus dem System herausgehen sind negativ (-). | ||
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Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Bilanzierung der Energieströme) in Worten: | Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Bilanzierung der Energieströme) in Worten: | ||
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| + | (plus der Summe aller spez. Energien, die mit einem Massenstrom die Systemgrenze passieren(nur bei offenen Systemen) | ||
| + | [http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/innere-energie-warmekapazitat/erster-hauptsatz Übungsaufgaben] und Animation zum 1. Hauptsatz bei Leifi-Physik | ||
| + | oder etwas einfacher ausgedrückt: | ||
| + | Die Änderung der inneren Energie U eines Systems ist gleich der Summe der dem System zu- bzw. abgeführten Wärme Q und der dem System zu- bzw. abgeführten Arbeit W.<br /> | ||
Wärme und Arbeit: Mechanische Energie kann in Wärme umgewandelt werden. Dies wird sichtbar bei allen Vorgängen bei denen Reibung auftritt. Dabei geht es nicht nur um die Reibung zwischen festen Stoffen wie Bremsvorgängen oder Reibungskupplungen, sondern auch um Reibung von Fluiden an Teilen wie Ventilen, Zylinderwänden, Leit – und Laufschaufeln der von ihnen durchströmten Kolben- und Strömungsmaschinen. | Wärme und Arbeit: Mechanische Energie kann in Wärme umgewandelt werden. Dies wird sichtbar bei allen Vorgängen bei denen Reibung auftritt. Dabei geht es nicht nur um die Reibung zwischen festen Stoffen wie Bremsvorgängen oder Reibungskupplungen, sondern auch um Reibung von Fluiden an Teilen wie Ventilen, Zylinderwänden, Leit – und Laufschaufeln der von ihnen durchströmten Kolben- und Strömungsmaschinen. | ||
| − | Aufgabe | + | {{Aufgabe|'''Wie lange kann eine Pumpe bei geschlossenem Druckschieber arbeiten?'''<br>}} |
Erwärmung einer im Leerlauf arbeitenden Kreiselpumpe. Kreiselpumpen können bei geschlossenem Druckschieber arbeiten. Die aufgenommene Antriebsleistung geht als Reibungswärme an die Teile der Pumpe und die im Pumpengehäuse enthaltene Flüssigkeit über. | Erwärmung einer im Leerlauf arbeitenden Kreiselpumpe. Kreiselpumpen können bei geschlossenem Druckschieber arbeiten. Die aufgenommene Antriebsleistung geht als Reibungswärme an die Teile der Pumpe und die im Pumpengehäuse enthaltene Flüssigkeit über. | ||
Wie lange kann eine Kreiselpumpe mit der Masse m_P=60 kg und einer Wasserfüllung von m_W=10kg | Wie lange kann eine Kreiselpumpe mit der Masse m_P=60 kg und einer Wasserfüllung von m_W=10kg | ||
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<div class="multiplechoice-quiz"> | <div class="multiplechoice-quiz"> | ||
An einem kalten Tag verlässt man das Haus für eine kurze Zeit, um Besorgungen zu machen. Welches Verhalten wäre am besten, wenn Energie gespart werden soll? | An einem kalten Tag verlässt man das Haus für eine kurze Zeit, um Besorgungen zu machen. Welches Verhalten wäre am besten, wenn Energie gespart werden soll? | ||
| − | (!die Heizung eingeschaltet lassen, damit nicht soviel Energie benötigt wird, um das Haus nach der Rückkehr wieder | + | (!die Heizung eingeschaltet lassen, damit nicht soviel Energie benötigt wird, um das Haus nach der Rückkehr wieder aufzuheizen) (!den Thermostat auf 10 °C einstellen) (die Heizung abschalten) (!es spielt keine Rolle, ob man die Heizung ausschaltet oder nicht) |
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| − | === Zustands- und Prozessgrößen === | + | ==== Zustands- und Prozessgrößen ==== |
<div class="zuordnungs-quiz"> | <div class="zuordnungs-quiz"> | ||
<big>'''Zuordnung'''</big><br> | <big>'''Zuordnung'''</big><br> | ||
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Eine gute Zusammenfassung einschließlich verschiedener Definitionen des 2.Hauptsatzes findet sich [http://www.waermekraft.wissenstexte.de/hs2.htm hier]. Die wesentlichen Aussagen lauten: | Eine gute Zusammenfassung einschließlich verschiedener Definitionen des 2.Hauptsatzes findet sich [http://www.waermekraft.wissenstexte.de/hs2.htm hier]. Die wesentlichen Aussagen lauten: | ||
* Wärme bewegt sich nur von einem höheren zu einem niedrigen Temperaturniveau, nie umgekehrt | * Wärme bewegt sich nur von einem höheren zu einem niedrigen Temperaturniveau, nie umgekehrt | ||
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* Bei irreversiblen Vorgängen entsteht Entropie zu (es entsteht Wärme). | * Bei irreversiblen Vorgängen entsteht Entropie zu (es entsteht Wärme). | ||
| − | == Wärmekraftmaschinen (rechtslaufender Kreisprozess) == | + | == Kreisprozesse == |
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Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärme in mechanische Energie umwandelt. Beispiele sind Dampfmaschine, Dampfturbine, Stirling-Motor und alle Verbrennungsmotoren. | Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärme in mechanische Energie umwandelt. Beispiele sind Dampfmaschine, Dampfturbine, Stirling-Motor und alle Verbrennungsmotoren. | ||
Auf dieser Seite ist eine Wärmekraftmaschine am Beispiel einer Dampfmaschine als [http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/waermekraftmaschinen/versuche Versuch] demonstriert | Auf dieser Seite ist eine Wärmekraftmaschine am Beispiel einer Dampfmaschine als [http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/waermekraftmaschinen/versuche Versuch] demonstriert | ||
Wärmekraftmaschinen nutzen „rechtslaufende“ Kreisprozesse, bei denen die geschlossene Kurve etwa im T-S oder p-v-Diagramm im Uhrzeigersinn durchlaufen wird. | Wärmekraftmaschinen nutzen „rechtslaufende“ Kreisprozesse, bei denen die geschlossene Kurve etwa im T-S oder p-v-Diagramm im Uhrzeigersinn durchlaufen wird. | ||
| − | {{Aufgabe|'''Energiebilanz Kohlekraftwerk''' | + | {{Aufgabe|'''Energiebilanz Kohlekraftwerk''' |
| − | Ein Kohlekraftwerk, welches zwischen 500 °C (überhitzter Wasserdampf) und 100 °C (Kondensator) arbeitet und 80 % des theoretisch möglichen (reversiblen) Wirkungsgrades besitzt, gibt pro Sekunde eine elektrische Arbeit von 50 MJ ab. Erstellen Sie die Energiebilanz dieses Kraftwerks: | + | |
| − | a) Berechnen Sie die pro Sekunde aufgenommene Wärmemenge | + | Ein Kohlekraftwerk, welches zwischen 500 °C (überhitzter Wasserdampf) und 100 °C (Kondensator) arbeitet und 80 % des theoretisch möglichen (reversiblen) Wirkungsgrades besitzt, gibt pro Sekunde eine elektrische Arbeit von 50 MJ ab. Erstellen Sie die Energiebilanz dieses Kraftwerks:<br /> |
| − | + | a) Berechnen Sie den Wirkungsgrad <br /> | |
| + | b)Berechnen Sie die pro Sekunde aufgenommene Wärmemenge<br /> | ||
| + | c)Berechnen Sie die pro Sekunde abgegebene Wärmemenge}} | ||
Lösung der Aufgabe in diesem Video: | Lösung der Aufgabe in diesem Video: | ||
{{#ev:youtube|q_CCLtQ68hM}} | {{#ev:youtube|q_CCLtQ68hM}} | ||
| − | ===Stirling-Motor === | + | |
| − | Der Stirling Motor ist ein Motor, der mit heißer Luft (z.B. Abwärme) als Wärmequelle betrieben werden kann. | + | ====Stirling-Motor ==== |
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| + | Der Stirling Motor ist ein Motor, der mit heißer Luft (z.B. Abwärme) als Wärmequelle betrieben werden kann. Dadurch ist der Stirling Motor sehr umweltfreundlich, weil er nicht unbedingt fossile Energieträger benötigt. Er lässt sich auch mit solarer Wärme betreiben. | ||
Einen guten Einblick in die Funktionsweise, die physikalischen Grundlagen sowie den Erfinder des Stirling-Motors gibt diese Sendung des bayrischen Fernsehens | Einen guten Einblick in die Funktionsweise, die physikalischen Grundlagen sowie den Erfinder des Stirling-Motors gibt diese Sendung des bayrischen Fernsehens | ||
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Sehr detaillierte und fundierte Informationen zum Stirling-Motor gibt es auf dieser von einer Privatperson betriebenen [http://www.stirling-und-mehr.de/index.php Seite]. | Sehr detaillierte und fundierte Informationen zum Stirling-Motor gibt es auf dieser von einer Privatperson betriebenen [http://www.stirling-und-mehr.de/index.php Seite]. | ||
| − | ===Clausius-Rankine Prozess === | + | ====Clausius-Rankine Prozess ==== |
{{#ev:youtube|oJja1LIke8U}} | {{#ev:youtube|oJja1LIke8U}} | ||
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| + | === Wärmepumpe (linkslaufender Kreisprozess) === | ||
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| + | Ein guten Überblick über die physikalischen Grundlagen der Wärmepumpe und die verschiedenen Wärmequellen liefert die Online Publikation: "[http://www.bine.info/publikationen/publikation/waermepumpen-die-heiztechnik-alternative/ Wärmepumpen-die Heiztechnik-Alternative]" des BINE Informationsdienstes. | ||
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| + | Über das sogenanntes Marktanreizprogramm (MAP) für Wärmepumpen informiert diese ausführliche [http://www.bafa.de/bafa/de/energie/erneuerbare_energien/waermepumpen/publikationen/energie_ee_wp_grundwissen.pdf Veröffentlichung] des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (Bafa). | ||
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| + | Die Internetseite [http://www.energiesparen-im-haushalt.de/energie/bauen-und-modernisieren/hausbau-regenerative-energie/energiebewusst-bauen-wohnen/emission-alternative-heizung/heizen-mit-erdwaerme.html Energiesparen im Haushalt] liefert auch viele Informationen zu Wärmepumpen. | ||
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| + | [[Kategorie:Techniker Schule Butzbach/Physik]] | ||
Aktuelle Version vom 12. April 2016, 20:51 Uhr
Inhaltsverzeichnis |
Gasgesetze
Zustandsänderungen
Thermodynamische Systeme
Einstieg in das Thema:
Für ein thermodynamisches System muss eine Grenze definiert werden, die Systemgrenze. Was sich innerhalb der Systemgrenze befindet ist das System, außerdem des Systems ist die Umgebung.
Den Systemgrenzen werden oft idealisierte Eigenschaften zugeordnet, insbesondere ihrer Durchlässigkeit für Materie und Energie.
Ein thermodynamisches System kann bestimmte Eigenschaften haben. Sie werden als Zustandsgrößen bezeichnet, weil sie den Zustand des Systems beschreiben. Dabei wird u.a. zwischen äußeren und inneren Zustandsgrößen unterschieden. Äußere Zustandsgrößen kennzeichnen den „äußeren“ (mechanischen) Zustand des Systems. z.B. die Lage oder die Geschwindigkeit des Systems. Der „innere“ (thermodynamische) Zustand wird durch Zustandsgrößen beschrieben, welche die Eigenschaften der Materie innerhalb der Systemgrenzen kennzeichnen. Hierzu gehören z.B. die Masse, der Druck, die Temperatur, die Dichte bzw. das spezifische Volumen. Auch die innere Energie und die Enthalpie sind Zustandsgrößen.
- Prozeßgrößen und Zustandsänderung
Steht ein thermodynamisches System in Wechselwirkung mit seiner Umgebung, wird z.B. das Volumen des Systems vergrößert oder Energie (Wärme) über die Systemgrenze zu- oder abgeführt, so ändert sich der Zustand des Systems. Die über die Systemgrenzen ausgetauschten Größen Arbeit und Wärme bezeichnet man als Prozeßgrößen.
Ein thermodynamisches System ist ein Gedankenmodell. Es wird beschrieben durch
- Systemgrenzen
- die über die Systemgrenzen ausgetauschten Prozessgrößen (Arbeit und Wärme)
- die Zustandsgrößen, die den inneren Zustand des Systems beschreiben (innere Energie, Temperatur, Druck und Volumen).
In dem Wikipedia-Artikel über Thermodynamische Systeme ist eine sehr übersichtliche Grafik über die verschiedenen thermodynamischen Systeme enthalten. Nach Festlegung der Systemgrenzen kann ein thermodynamisches System bilanziert werden.
- Aufstellen von Bilanzgleichungen
Fragen: Was geht in das System rein? Was geht aus dem System raus? Was ändert sich im System?
Vorzeichenkonvention
Beim Bilanzieren gibt es eine grundsätzliche Vorzeichenkonvention: Alle Größen, die in das System hineingehen, haben ein positives Vorzeichen (+) und alle die aus dem System herausgehen sind negativ (-).
Energiebilanz (1. Hauptsatz der Thermodynamik)
Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Bilanzierung der Energieströme) in Worten:
Die zeitliche Änderung der Energie im System (Änderung der inneren Energie) ist gleich der Summe aller Wärmeströme über die Systemgrenze plus der Summe aller Arbeitsströme über die Systemgrenze (plus der Summe aller spez. Energien, die mit einem Massenstrom die Systemgrenze passieren(nur bei offenen Systemen) Übungsaufgaben und Animation zum 1. Hauptsatz bei Leifi-Physik oder etwas einfacher ausgedrückt:
Die Änderung der inneren Energie U eines Systems ist gleich der Summe der dem System zu- bzw. abgeführten Wärme Q und der dem System zu- bzw. abgeführten Arbeit W.
Wärme und Arbeit: Mechanische Energie kann in Wärme umgewandelt werden. Dies wird sichtbar bei allen Vorgängen bei denen Reibung auftritt. Dabei geht es nicht nur um die Reibung zwischen festen Stoffen wie Bremsvorgängen oder Reibungskupplungen, sondern auch um Reibung von Fluiden an Teilen wie Ventilen, Zylinderwänden, Leit – und Laufschaufeln der von ihnen durchströmten Kolben- und Strömungsmaschinen.
 Aufgabe
Wie lange kann eine Pumpe bei geschlossenem Druckschieber arbeiten? |
Erwärmung einer im Leerlauf arbeitenden Kreiselpumpe. Kreiselpumpen können bei geschlossenem Druckschieber arbeiten. Die aufgenommene Antriebsleistung geht als Reibungswärme an die Teile der Pumpe und die im Pumpengehäuse enthaltene Flüssigkeit über. Wie lange kann eine Kreiselpumpe mit der Masse m_P=60 kg und einer Wasserfüllung von m_W=10kg bei geschlossenem Druckschieber laufen, bis eine Erwärmung auf T_2=90 °C eingetreten ist? Die Anfangstemperatur ist T_1=20 °C, die Leistungsaufnahme des Elektromotors betrage P_Elek=1,2 kW. Es sollen Abstrahlungsverluste in Höhe von 25 % der aufgenommenen Pumpenleistung angenommen werden. Wärmekapazitäten: Grauguss: c_GG=0,53 kJ/(kg∙K) ; Wasser: c_W=4,18 kJ/(kg∙K).
| Aufgabe
Heizung abschalten oder nicht? |
An einem kalten Tag verlässt man das Haus für eine kurze Zeit, um Besorgungen zu machen. Welches Verhalten wäre am besten, wenn Energie gespart werden soll?
(!die Heizung eingeschaltet lassen, damit nicht soviel Energie benötigt wird, um das Haus nach der Rückkehr wieder aufzuheizen) (!den Thermostat auf 10 °C einstellen) (die Heizung abschalten) (!es spielt keine Rolle, ob man die Heizung ausschaltet oder nicht)
Zustands- und Prozessgrößen
Zuordnung
Handelt es sich bei den angegebenen Größen um Zustandsgrößen oder um Prozessgrößen
| Zustandsgrößen | Temperatur | Druck | Volumen | Innere Energie |
| Prozessgrößen | Wärme | Arbeit |
2. Hauptsatz
Eine gute Zusammenfassung einschließlich verschiedener Definitionen des 2.Hauptsatzes findet sich hier. Die wesentlichen Aussagen lauten:
- Wärme bewegt sich nur von einem höheren zu einem niedrigen Temperaturniveau, nie umgekehrt
- Wärme kann nur bedint in mechanische Arbeit umgewandelt werden.
- Zusammen mit Wärme strömt immer Entropie.Der Begriff der Entropie wird sehr verständlich erläutert in diesem Video, das bei einem SienceSlam aufgezeichnet wurde.
- Bei irreversiblen Vorgängen entsteht Entropie zu (es entsteht Wärme).
Kreisprozesse
Wärmekraftmaschinen (rechtslaufender Kreisprozess)
Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärme in mechanische Energie umwandelt. Beispiele sind Dampfmaschine, Dampfturbine, Stirling-Motor und alle Verbrennungsmotoren. Auf dieser Seite ist eine Wärmekraftmaschine am Beispiel einer Dampfmaschine als Versuch demonstriert Wärmekraftmaschinen nutzen „rechtslaufende“ Kreisprozesse, bei denen die geschlossene Kurve etwa im T-S oder p-v-Diagramm im Uhrzeigersinn durchlaufen wird.
| Aufgabe
Energiebilanz Kohlekraftwerk Ein Kohlekraftwerk, welches zwischen 500 °C (überhitzter Wasserdampf) und 100 °C (Kondensator) arbeitet und 80 % des theoretisch möglichen (reversiblen) Wirkungsgrades besitzt, gibt pro Sekunde eine elektrische Arbeit von 50 MJ ab. Erstellen Sie die Energiebilanz dieses Kraftwerks: |
Lösung der Aufgabe in diesem Video:
Stirling-Motor
Der Stirling Motor ist ein Motor, der mit heißer Luft (z.B. Abwärme) als Wärmequelle betrieben werden kann. Dadurch ist der Stirling Motor sehr umweltfreundlich, weil er nicht unbedingt fossile Energieträger benötigt. Er lässt sich auch mit solarer Wärme betreiben. Einen guten Einblick in die Funktionsweise, die physikalischen Grundlagen sowie den Erfinder des Stirling-Motors gibt diese Sendung des bayrischen Fernsehens
Sehr detaillierte und fundierte Informationen zum Stirling-Motor gibt es auf dieser von einer Privatperson betriebenen Seite.
Clausius-Rankine Prozess
Wärmepumpe (linkslaufender Kreisprozess)
Ein guten Überblick über die physikalischen Grundlagen der Wärmepumpe und die verschiedenen Wärmequellen liefert die Online Publikation: "Wärmepumpen-die Heiztechnik-Alternative" des BINE Informationsdienstes.
Über das sogenanntes Marktanreizprogramm (MAP) für Wärmepumpen informiert diese ausführliche Veröffentlichung des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (Bafa).
Die Internetseite Energiesparen im Haushalt liefert auch viele Informationen zu Wärmepumpen.
