Thermodynamik I

Prof. Dr.-Ing. Heinz Pitsch

Einführung und Allgemeine Grundlagen

Kapitel 1

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

2

Energie

• Nachfrage nach Energie bestimmt unser Leben in substantieller Weise

Verkehr und Elektrizität

Luftverschmutzung

Globale Erwärmung

3

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%

4

Treibhausgas-Emissionen

• 85% der Treibhausgas-

Emissionen sind CO2

EPA Inventory of US Greenhouse Gas Emissions, 2006

5

Quellen von CO2

Der Verbrauch

fossiler Brennstoffe

ist beteiligt an

• 95% der CO2-

Emissionen

• 80% aller

Treibhausgas-

Emissionen

6

Reduktion von Treibhausgas-Emissionen

• Verschiedene Alternativen

zum Beispiel

• Wasserstoff-Wirtschaft

• CO2-Sequestration (Carbon Capture and Storage, CCS)

• Biobrennstoffe

• Effizienzsteigerung

Thermodynamik

7

Beispiel: Motoren

• Moderner Dieselmotor

• Trotz erheblich höheren Verkehrsaufkommens deutlich reduzierter Rußausstoß

8

Beispiel: Brennstoffzellen

9

• PEM Brennstoffzelle

• Theoretisch sehr hoher thermischer Wirkungsgrad

• Brennkammer eines Pratt & Whitney 6000 Flugtriebwerks

• Sicherheit hat höchste Priorität

10

Beispiel: Gasturbinen

Historische Beispiele:

Dampfkochtopf von 1681 Wasserpumpe von 1663

11

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%

12

James Watt (1736 – 1819)

• 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%

13

Historische Einordnung

• James Watt (1736 – 1819)

• Sadi Carnot (1796 – 1838)

• James Joule (1818 – 1889)

• Rudolf Clausius (1822 – 1888)

• William Rankine (1820 – 1872)

• William Thomson (Lord Kelvin) (1824 – 1907)

• Ludwig Boltzmann (1844 – 1906)

• Max Planck (1858 – 1947)

• Albert Einstein (1879 – 1955)

14

Thermodynamisches Gerät

• Beispiel: Ball

• Formen der Energie

- Potentielle Energie

- Kinetische Energie

- Spannungsenergie

• Energie bleibt erhalten!

• 1. Hauptsatz der Thermodynamik

15

Beispiel: Wärmekraftmaschine

• Wohin geht die Energie?

• Was kann man mit dieser Energie anfangen?

• Kann man den Prozess umkehren?

• Energietransformationen beeinflussen Qualität der Energie

• Energie charakterisiert durch Qualität

• 2. Hauptsatz der Thermodynamik Entropie

16

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

17

Organisation

• Vorlesung: Prof. Heinz Pitsch

Institut für Technische Verbrennung, Templergraben 64, 2. Etage

• Übung: Mi 08:30 Uhr, Herr Cai

• Selbstrechenübung: Mi 14:15 Uhr, Herr Cai, Herr Dr. Binninger

• Note: Klausur + Bonuspunkte

18

19

• Abgabe einer häuslichen Ausarbeitung der Aufgaben der Selbstrechenübung innerhalb einer Woche

• Korrektur und Bewertung durch den Lehrstuhl innerhalb einer Woche

• Lehrstuhl führt ein Punktekonto für jeden Studierenden

• Anrechnung der Punkte als Bonus für Klausur

• Nur bei einer der zwei nachfolgenden Klausuren

• 100% der möglichen Punkte entsprechen ungefähr zwei Notensprüngen (z.B. 3.7 3.0)

• Für genauere Informationen beachten Sie bitte das Informationsblatt „Klausurbonuspunkte“

Bonussystem

21

Bonussystem

0,0%

20,0%

40,0%

60,0%

80,0%

100,0%

0,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0% 50,0% 60,0% 70,0% 80,0% 90,0% 100,0%

Be

ste

he

nsq

uo

te

Bonuspunkte

Kapitel 1, Teil 1: Übersicht

1 Allgemeine Grundlagen 1.1 Stoffe und Stoffumwandlungen

1.2 Energie

1.2.1 Formen und Energie

1.2.2 Innere Energie

1.3 Das thermodynamische System

1.4 Zustandsgrößen

1.5 Zustandspostulat

1.6 Die thermodynamische Betrachtungsweise

1.7 Prozess- und Zustandsänderungen

22

1. Allgemeine Grundlagen

• 1.1 Stoffe und Stoffumwandlungen

- Reine Stoffe: Phasenänderung flüssig – gasförmig, fest – flüssig, fest - gasförmig

- Gemische: Kaffee + Milch = Milchkaffee (typisches Beispiel für nichtumkehrbaren, irreversiblen Prozess)

- Chemische Reaktionen

- Verbrennung im Kraftwerk: Steinkohle + Luft = Abgas + Asche + Wärme

- Brennstoffzelle:

+ elektrischer Strom + Wärme

23

makroskopisch

Äußere Energien Ea

mikroskopisch

Innere Energie U

1.2 Energie

• 1.2.1 Formen der Energie

Energie kinetisch

potentiell

elektrisch

magnetisch

thermisch

chemisch

nuklear

• Gesamtenergie:

24

1.2.2 Innere Energie

• Innere Energie: S mikroskopischer Energien

• thermisch

Translation

Rotation

Schwingung

• elektronisch

• chemisch

• nuklear

• latent

25

Kapitel 1, Teil 1: Übersicht

1 Allgemeine Grundlagen 1.1 Stoffe und Stoffumwandlungen

1.2 Energie

1.2.1 Formen und Energie

1.2.2 Innere Energie

1.3 Das thermodynamische System

1.4 Zustandsgrößen

1.5 Zustandspostulat

1.6 Die thermodynamische Betrachtungsweise

1.7 Prozess- und Zustandsänderungen

26

1.3 Das thermodynamische System

• Bereich auf den sich thermodynamische Analyse bezieht

Klar abgegrenzt und definiert

• Wirkungen der Umgebung auf das System an den Systemgrenzen bestimmt

Werden bei Systemanalyse berücksichtigt

• Massenbezogene Unterscheidung

Geschlossene Systeme

Offene Systeme

27

Beispiel: Gas im Zylinder mit beweglichem Kolben

Beispiel: Gas im Zylinder mit beweglichem Kolben

Geschlossene Systeme

• Systemgrenzen undurchlässig für Materie

• Volumen kann veränderlich sein

• Arbeit und Wärme dürfen über

Systemgrenzen ausgetauscht werden

Weitere Eigenschaften des geschlossenes Systems

• Enthält eine oder mehrere homogene Phasen

• Chemische Reaktionen im System sind möglich

• Systemgrenzen oft beweglich

28

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 Systeminhalt spielt keine Rolle

• Systeminhalt kann sehr komplex sein, nur der

Stoff- und Energieübergang an den Grenzen wird

betrachtet

• Systemgrenzen oft aber nicht notwendig ortsfest

29

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

30

Beispiel: Luftpumpe

• Betrachtet wird das Gas innerhalb der rot gestrichelten Systemgrenze!

• Massenstrom m Im Gleichgewicht: Druck = Kraft/Fläche

• Wärmestrom Q

. .

31

Beispiel 1 für offenes System: Turboverdichter

• Zuführung elektrischer Arbeit

• Kontinuierliche Verdichtung des Massenstroms

durch Kompressorschaufeln

32

1.4 Zustandsgrößen

• Physikalischen Größen, Eigenschaften eines Systems

• Klassische thermodynamische 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

33

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

34

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 r,spezifisches Volumen v = 1/r

35

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/r = V/m

• spezifische innere Energie u = U/m

36

1.5 Zustandspostulat

• Betrachtet wird ein einfaches, kompressibles System1)

Zustandspostulat:

Zwei unabhängige intensive Zustandsgrößen

bestimmen den Zustand eindeutig

• Beispiel:

Die Viskosität von Wasser sei h = 0,506 .10-3 Ns/m, sein Brechungsindex n =

1,3289, dann ist die Dichte festgelegt zu r = 0,9981 g/cm3, die Temperatur zu

50 oC, 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 anderen Fällen sind weitere Eigenschaften, wie

die Höhe im Schwerefeld bei der potentiellen Energie zu berücksichtigen. Kompressibel ist ein System ohne plastische

Verformung 37

1.6 Die thermodynamische Betrachtungsweise

• Gleichgewichtszustände

• Aggregatzustände (fest, flüssig, …) werden als Phasen bezeichnet

• Homogener Zustand innerhalb einer Phase

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

• Räumliche Verteilung wird aber dann nicht betrachtet

38

Gleichgewicht

• Thermisches und mechanisches Gleichgewicht

• Zwangsbedingungen verhindern vollständiges Gleichgewicht

Arretierungen verhindert Druckausgleich

Adiabate Schichten verhindern Temperaturausgleich

39

Thermisches Gleichgewicht Mechanisches Gleichgewicht

1.7 Prozess- und Zustandsänderungen

• Thermodynamische Analyse behandelt Zustandsänderungen zwischen

Gleichgewichtszuständen

• Üblicherweise werden quasi-statische (d. h. hinreichend langsame)

Zustandsänderungen behandelt

• Zwischenzustände werden als Quasi-Gleichgewichtszustände angenommen

40

Beispiel: Kompression im Otto-Motor

• Annahme:

Kompression 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 pvk = const)

polytrop (pvn = const)

41

Idealisierter Otto-Prozess

• Annahme:

Ideales Gas, Luft als Arbeitsfluid

Offenes System wird durch geschlossenes System ersetzt

• Ausschieben des heißen Abgases und Ansaugen des kalten Frischgases 4 1 wird durch Prozessschritt "Kühlen bei konstantem Volumen“ ersetzt

42

Beispiel: Otto-Prozess im p,V-Diagramm

Endzustand = Anfangszustand

Kreisprozess

43

V

V

s

s

Merke:

• Energy • Energie wird erhalten 1st Hauptsatz der Thermodynamik • Energie hat Qualität 2nd Hauptsatz der Thermodynamik • Gesamtenergie E = U + Ekin + Epot • U = Summe molekularer Energien = Thermisch + Chemisch +

Latent • System

• Offen: Durchlässing für Energie und Masse • Geschlossen: Durchlässig für Energie

• Zustandsgrößen • Intensive Zustandsgrößen unabhängig von Stoffmenge • Extensive Zustandsgrößen proportional zur Masse/Volumen

• Zustandspostulat • Zwei unabhängige intensive Zustandsgrößen definieren Zustand