Thermodynamik


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Zuletzt aktualisiert von Rolf Gloor am 19.12.2010

Die Thermodynamik ist die Lehre von der Wärme. Für Gase gelten feste Beziehungen, eine Besonderheit ist die Änderung des Aggregatszustandes wie beim Dampf.

1. Hauptsatz

Jedes System besitzt eine extensive Zustandsgrösse Energie. Sie ist in einem abgeschlossenen System konstant. In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Veränderungen der Energie Null (zugeführte Energie wird positiv und abgeführte Energie wird negativ gezählt).

2. Hauptsatz

Alle natürlichen Prozesse sind irreversibel. Wärme kann nie von selbst von einem Körper niedriger auf einen Körper hoher Temperatur übergehen.

3. Hauptsatz

Die minimale Temperatur ist 0 K (- 273,15 °C).

Carnotfaktor, Energie gleich Exergie und Anergie

Energie kann nicht produziert oder vernichtet werden (1. Hauptsatz der Thermodynamik).

Energien haben aber eine unterschiedliche Wertigkeit, je höher die Temperatur, desto wertvoller ist die Energie. Wenn die Umgebungstemperatur zum Beispiel 20 °C beträgt, dann ist ein Energiespeicher mit 10 Liter Wasser auf einem Temperaturniveau von 40 °C weniger wert, als einer mit 5 Liter Wasser auf 60 °C, wobei beide den gleichen Energieinhalt von 836 kJ (Wärmekapazität mal Temperaturdifferenz) gegenüber der Umgebungstemperatur von 20 °C haben. Wenn man in den Speicher mit 5 Liter auf 60 °C weitere beliebig vorhandene 5 Liter aus 20 °C Umgebungstemperatur hinzufügt, erhält man 10 Liter mit 40 °C. Diese Vermischung lässt sich ohne zusätzliche Energie nicht rückgängig machen (2. Hauptsatz der Thermodynamik).

Grundlage für die Bewertung ist der Energie auf verschiedenen Temperaturen ist der theoretisch maximale thermische Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen, der Carnotfaktor. Dieser errechnet sich aus der Differenz der höchsten zur tiefsten Temperatur durch die höchste Temperatur in Kelvin (0 °C = 273,15 K) welche in einem Prozess vorkommen.

Carnotfaktor (Temperaturen in Kelvin)

Um die aus Wärme theoretisch gewinnbare mechanische Energie zu quantifizieren, gibt es die Begriffe Exergie und Anergie:

  1. Die Exergie ist die Energie, welche theoretisch in mechanische Energie umgewandelt werden kann.
    In obenstehendem Beispiel mit 20 °C Umgebungstemperatur und den 10 Liter bei 40 °C sind das 836 kJ mal 20 K durch 313 K = 53 kJ, bei 5 Liter auf 60 °C sind es immerhin 836 kJ mal 40 K durch 333 K gleich 100 kJ, fast das Doppelte.
  2. Die Anergie ist die Energie minus deren Exergie, also nur noch Wärme auf dem Niveau der Umgebungswärme.
    Im Beispiel bei 10 Liter bei 40 °C sind das 836 kJ minus 53 kJ gleich 783 kJ, bei bei 5 Liter auf 60 °C sind es 836 kJ minus 100 kJ gleich 736 kJ.

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