Thermodynamik Ein Vortrag von Verena Pfeifer Inhaltsverzeichnis n

Thermodynamik Ein Vortrag von Verena Pfeifer

Inhaltsverzeichnis n n n n n Was versteht man unter Thermodynamik? Temperatur Systeme Die Hauptsätze der Thermodynamik Reversibilität & Irreversibilität Entropie Thermodynamische Prozesse Kreisprozesse Die Dampfmaschine Kälteerzeugung

Was versteht man unter Thermodynamik? n n Wärmelehre Temperatur, Wärme & Umwandlung von Energie Läuft ein Vorgang spontan ab? In welche Richtung verläuft ein Vorgang?

Temperatur n Zustandsgröße Quelle: http: //tlt. its. psu. edu/mto/energy/graphics/tempscalessmall. gif n n Temperaturskalen sind willkürlich festgelegt Lineare Skalen zwischen zwei Fixpunkten

Systeme Offenes System Geschlossenes System Abgeschlossenes System Energie- und Stoffaustausch Energieaustausch, jedoch kein Stoffaustausch Weder Energie- noch Stoffaustausch

Die Hauptsätze n 0. Hauptsatz n Stehen zwei Systeme jeweils mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht, so stehen sie auch untereinander im Gleichgewicht.

Die Hauptsätze n 1. Hauptsatz n n 2. Hauptsatz n n Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energiearten umgewandelt werden. Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar. 3. Hauptsatz n Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist unerreichbar.

1. Hauptsatz Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energiearten umgewandelt werden. n Definition der Inneren Energie: n n Gesamtenergie eines Systems Summe der kinetischen und potentiellen Energie seiner Moleküle Zustandsgröße

1. ΔU: Hauptsatz Änderung der Inneren Energie n • d. U : differentielle Änderung der inneren Energie eines Systems • δq : differentielle Wärmemenge, die das System bei der Zustandsänderung aufnimmt • δw : am System geleistete Arbeit n- δq Abgeschlossene Systeme und δw sind wegabhängig, also keine Zustandsfunktionen n ΔU = 0

1. Hauptsatz n Wärmeübergänge § bei konstantem Volumen und keiner Nichtvolumenarbeit: Die Änderung der Inneren Energie entspricht der zugeführten Wärme.

1. Hauptsatz n Die Enthalpie H n Maß für die Energie eines thermodynamischen Systems n H = U + p. V n Bei konstantem Druck und nur Volumenarbeit n d. H = dq

2. Hauptsatz Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar. n Clausius: n n Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist. Kelvin: n Es ist nicht möglich, Wärme aus einem Wärmebad zu entnehmen und vollständig in Arbeit umzuwandeln.

Reversibilität & Irreversibilität n n Ein Prozess ist reversibel, wenn bei seiner Umkehr der Ausgangszustand wieder erreicht wird, ohne dass Änderungen in der Umgebung zurückbleiben. Es geht keine Energie durch Vorgänge verloren, die man nicht umkehren kann.

Richtung freiwilliger Prozesse n Dissipation der Energie n Prozess verläuft freiwillig in Richtung einer weiniger geordneten Verteilung der Gesamtenergie Quelle: http: //ffden-2. phys. uaf. edu/211_fall 2002. web. dir/Randolph_Bailey/Web%20 Project/bouncing%20 ball. JPG

Die Entropie S n n Maß für die Dissipation der Energie bei einem Prozess Bei einer freiwilligen Zustandsänderung nimmt die Entropie eines abgeschlossenen Systems zu: n ΔSgesamt > 0

Die Entropie S Wärmemenge, die bei reversiblen Prozessen mit der Umgebung ausgetauscht wird: Diesen Quotienten bezeichnet man als reduzierte Wärmemenge: n Thermodynamische Definition:

Die Entropie S n Reversible Prozesse n Die Entropie des Gesamtsystems (System & Umgebung) bleibt konstant n d. S = 0 n n SSystem und SUmgebung können sich ändern Irreversible Prozesse n Die Entropie des Gesamtsystems wächst bis zu einem Maximalwert an n d. S > 0

Die Entropie S n Statistische Definition n : Boltzmann-Konstante Nach Ludwig Boltzmann: n Die Entropie ist proportional zur Zahl der mikroskopisch : Zahl der Realisierungsmöglichkeiten möglichen Zuständen

Die Entropie S Quelle: http: //www. ifw-dresden. de/institutes/imw/lectures/pwe-default-page/c 1 -thermo. pdf

3. Hauptsatz Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist unerreichbar. n Max Plancks Formulierung des Nernstschen Wärmetheorems: n "Am absoluten Nullpunkt der Temperatur ist die Entropie völlig geordneter Kristalle gleich null. Wenn man die Entropie jedes Elements in reinem, kristallinem Zustand bei T = 0 K gleich null setzt, dann hat jede Verbindung von Elementen (also jede Substanz) eine positive Entropie. "

Thermodynamische Prozesse n Isotherme Prozesse n n Durchführung bei gleichbleibender Temperatur Realisierung durch thermischen Kontakt mit Wärmebad

Thermodynamische Prozesse n Isobare Prozesse n n Durchführung bei gleichbleibendem Druck Isochore Prozesse n Durchführung bei gleichbleibendem Volumen

Thermodynamische Prozesse n Adiabatische Prozesse n n Vorgänge, bei denen keine thermische Energie mit der Umgebung ausgetauscht wird q=0

Thermodynamische Prozesse Quelle: http: //www-aix-usr. gsi. de/~wolle/TELEKOLLEG/MECHANIK/WAERME/w-17. jpg

Kreisprozesse n n System durchläuft Folge von Zustandsänderungen Stimmen Anfangs- und Endzustand überein, handelt es sich um einen Kreisprozess

Stirling-Motor Quelle: http: //www. physik. fu-berlin. de/physlab/Skripte/Stirlingmotor. pdf

Stirling-Motor Quelle: http: //www. physik. fu-berlin. de/physlab/Skripte/Stirlingmotor. pdf

Stirling-Motor Quelle: http: //www. physik. uni-augsburg. de/exp 1/lehre/umwelt_energie/stirlingmotor. pdf

Der Carnot-Zyklus n n Idealer Kreisprozess Ideales Gas steht wechselweise mit Wärmebädern konstanter Temperaturen (Tw>Tk) in Kontakt Gas wird zur Aufbringung bzw. Abgabe mechanischer Arbeit verdichtet bzw. expandiert Reversible Prozesse (Gleichgewichtsprozesse)

Der Carnot-Zyklus n Die vier reversiblen Teilschritte: n isotherme Expansion n adiabatische Expansion n isotherme Kompression n adiabatische Kompression

n Der Carnotsche Wirkungsgrad Der Carnot-Zyklus Wirkungsgrad allgemein: Als Funktion der ausgetauschten Wärme: Für ein ideales Gas gilt: Hieraus folgt der Carnotsche Wirkungsgrad:

Der Carnot-Zyklus n Folge des zweiten Hauptsatzes: n n Der Wirkungsgrad aller reversibel arbeitender Maschinen muss ungeachtet ihrer Bauweise und des Arbeitsmediums gleich sein. Carnot-Prinzip: n Zwischen zwei gegebenen Wärmereservoiren hat die reversibel arbeitende Wärmekraftmaschine den höchstmöglichen Wirkungsgrad.

Die Dampfmaschine n Anfänge: n n n 1690, Denis Papin: atmosphärische Dampfmaschine 1712, Thomas Newcomen: erste verwendbare Dampfmaschine 1769, James Watt: erhebliche Verbesserung des Newcomenschen Wirkungsgrades

Die Dampfmaschine n Atmosphärische Dampfmaschine Quelle: http: //leifi. physik. uni-muenchen. de/web_ph 09/umwelt_technik/08 dampfm/papin. htm

Die Dampfmaschine n Newcomens Dampfmaschine Quelle: http: //leifi. physik. uni-muenchen. de/web_ph 09/umwelt_technik/08 dampfm/newcomen. htm

Die Dampfmaschine n Ausgangssituation nach Watt Quelle: http: //leifi. physik. uni-muenchen. de/web_ph 09/umwelt_technik/08 dampfm/dampfmasch. htm

Die Dampfmaschine Quelle: http: //leifi. physik. uni-muenchen. de/web_ph 09/umwelt_technik/08 dampfm/dampfmasch. htm

Die Dampfmaschine n Wirkungsweise einer Kolbendampfmaschine Quelle: http: //de. wikipedia. org/wiki/Bild: Steam_engine_in_action. gif

Kälteerzeugung n n Wärmemenge wird aus kaltem Reservoir mit entnommen und wärmeren Reservoir mit zugeführt Hierbei gilt: Prozess läuft nicht freiwillig ab Deshalb: Zufuhr von Arbeit zum wärmeren Reservoir

Kälteerzeugung n Der Kompressorkühlschrank Quelle: http: //leifi. physik. uni-muenchen. de/web_ph 09/umwelt_technik/07 kuehlschrank/kuehlschrank. htm

Quellen n Internet: n n n n n http: //leifi. physik. uni-muenchen. de http: //www. physik. uni-wuerzburg. de http: //de. wikipedia. org/wiki/Ludwig_Boltzmann http: //www. ifw-dresden. de/institutes/imw/lectures/pwedefault-page/c 1 -thermo. pdf http: //de. wikipedia. org/wiki/Carnot-Kreisprozess http: //de. wikipedia. org/wiki/Entropie http: //de. wikipedia. org/wiki/K%C 3%BChlschrank http: //de. wikipedia. org/wiki/Dampfmaschine Literatur: n Atkins, de Paula: Physikalische Chemie, 4. Auflage