Thermodynamik T2000

Offenes System

• Masse- und Energieaustausch über Systemgrenze möglich • Beispiel: Turbine, Verdichter.

Geschlossenes System

• Kein Massenaustausch • Energieaustausch durch Wärme oder Arbeit möglich.

Isoliertes System

• Kein Masseaustausch • Kein Energieaustausch • Gesamtenergie konstant.

0. Hauptsatz

• Thermisches Gleichgewicht • Systeme im thermischen Gleichgewicht haben gleiche Temperatur.

1. Hauptsatz

• Energieerhaltung • Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden • Nur Übertragung oder Umwandlung • Isoliertes System: E = konstant.

2. Hauptsatz

• Richtung natürlicher Prozesse • Wärme fließt von selbst nur von warm nach kalt • Wärme nicht vollständig in Arbeit umwandelbar • Entropieerzeugung bei irreversiblen Prozessen.

3. Hauptsatz

• Absoluter Temperaturnullpunkt nicht erreichbar • 0 K ≈ -273,15 °C.

Kelvin

• Absolute Temperaturskala • T[K] = ϑ[°C] + 273,15.

Druck

• Kraft pro Fläche • p = F / A • Einheit Pa = N/m².

Absolutdruck

• Druck bezogen auf absolutes Vakuum.

Überdruck

• Druck über dem Bezugsdruck • pÜ = pabs - pb.

Unterdruck

• Druck unter dem Bezugsdruck • pU = pb - pabs.

Ideales Gas

• Vereinfachtes Gasmodell • Zusammenhang p, V, m, R und T • Näherung für reale Gase bei niedrigem Druck und hoher Temperatur.

Ideale Gasgleichung

• p · V = m · Ri · T • Verknüpft Druck, Volumen, Masse und Temperatur.

Spezifische Gaskonstante

• Symbol Ri • Gasspezifische Konstante • Bestandteil der idealen Gasgleichung.

Universelle Gaskonstante

• Symbol Rm • Rm ≈ 8,314 J/(mol·K).

Zustandsgröße

• Eigenschaft eines thermodynamischen Zustands • Beispiel: p, V, T, U, H, S.

Zustandsänderung

• Übergang von einem thermodynamischen Zustand in einen anderen.

Isochor

• Volumen konstant • V = const • Erwärmung → Druck steigt • Im p-V-Diagramm senkrechte Linie.

Isobar

• Druck konstant • p = const • Erwärmung → Volumen steigt • Im p-V-Diagramm waagerechte Linie.

Isotherm

• Temperatur konstant • T = const • Für ideales Gas: p · V = const • p-V-Kurve als Hyperbel.

Isentrop

• Entropie konstant • S = const • ΔS = 0 • Ideal: reversibel und adiabat.

Adiabat

• Kein Wärmeaustausch mit Umgebung • Q = 0.

Polytrop

• Allgemeiner Oberbegriff für Zustandsänderungen • Isochor, isobar, isotherm und isentrop als Spezialfälle.
Oberbegriff für Prozesse, bei denen sich Druck und Volumen nach einer bestimmten mathematischen Formel verändern

Arbeit

• Mechanische Energieübertragung über Systemgrenze • Symbol W.

Innere Energie

• Im System gespeicherte mikroskopische Energie • Symbol U • Zustandsgröße.

Spezifische Wärmekapazität cp

• Wärmekapazität bei konstantem Druck • cp > cv.

Spezifische Wärmekapazität cv

• Wärmekapazität bei konstantem Volumen.

Isentropenexponent

• Symbol κ • κ = cp / cv • Für Luft ungefähr 1,4.

Entropie

• Symbol S • Zustandsgröße • Maß für Irreversibilität bzw. Energieentwertung • Bei realen irreversiblen Prozessen entsteht Entropie.

Reversibler Prozess

• Idealer vollständig umkehrbarer Prozess • Keine Entropieerzeugung.

Irreversibler Prozess

• Realer nicht vollständig umkehrbarer Prozess • Beispiele: Reibung, Mischung, Wärmeübertragung bei endlicher Temperaturdifferenz.

Kreisprozess

• Folge mehrerer Zustandsänderungen • Endzustand = Anfangszustand • Nach kompletter Runde ΔU = 0.

Rechtsgängiger Kreisprozess

• Wärmekraftmaschine • Wärme rein • Arbeit raus • Beispiel: Motor, Kraftwerk.

Linksgängiger Kreisprozess

• Kältemaschine oder Wärmepumpe • Arbeit rein • Wärme wird von kalt nach warm transportiert.

Wärmekraftmaschine

• Wandelt einen Teil zugeführter Wärme in Arbeit um • Wirkungsgrad immer kleiner 100 %.

Wirkungsgrad

• Verhältnis Nutzen zu Aufwand • η = Nutzenergie / zugeführte Energie • η < 1.

Carnot-Prozess

• Idealer reversibler Kreisprozess • Maximal theoretischer Wirkungsgrad zwischen zwei Temperaturen.

Kältemaschine

• Entzieht kaltem Bereich Wärme • Benötigt Arbeit • Beispiel: Kühlschrank.

Wärmepumpe

• Transportiert Wärme auf höheres Temperaturniveau • Benötigt Arbeit • Nutzgröße ist abgegebene Heizwärme.

Otto-Prozess

• Idealisierter Kreisprozess eines Ottomotors.

Diesel-Prozess

• Idealisierter Kreisprozess eines Dieselmotors.

Joule-Prozess

• Idealisierter Gasturbinenprozess • Verdichtung, Wärmezufuhr, Expansion.

Clausius-Rankine-Prozess

• Kreisprozess mit Wasserdampf • Phasenwechsel • Grundlage vieler Dampfkraftwerke.

Wasserdampf

• Reales Gas mit möglichem Phasenwechsel • Ideale Gasgleichung nicht überall ausreichend.

Nassdampf

• Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf.

Verdampfung

• Übergang Flüssigkeit → Dampf • Wärme wird aufgenommen.

Konvektion

• Wärmeübertragung durch bewegte Fluide • Beispiel: warme Luft steigt auf.

Stefan-Boltzmann-Gesetz

• Wärmestrahlung steigt stark mit absoluter Temperatur • Strahlungsleistung proportional zu T⁴.

Expansion

• Volumen steigt • System kann Arbeit an Umgebung abgeben.

p-V-Diagramm

• Druck über Volumen • Fläche unter Prozesskurve entspricht Volumenarbeit.

T-s-Diagramm

• Temperatur über Entropie • Häufig zur Darstellung von Kreisprozessen.

Fließprozess

• Prozess in offenem System • Masse strömt durch System • Enthalpie besonders wichtig.

Massenerhaltung

• Masse geht nicht verloren • Bei stationärem Strömungsprozess gleicher Massenstrom durch alle Querschnitte.

Massenstrom

• Masse pro Zeit • Symbol ṁ • Einheit kg/s.

Volumenstrom

• Volumen pro Zeit • Symbol V̇ • Einheit m³/s.

Energieerhaltung im Fließprozess

• Zugeführte und abgeführte Wärme und Arbeit ändern Enthalpie sowie ggf. Bewegungs- und Lageenergie.

Dissipationsarbeit

• Energieverlust durch irreversible Effekte wie Reibung • Führt zu Entropieerzeugung.

Exergie

• Anteil der Energie, der theoretisch vollständig in Arbeit umwandelbar ist.

Anergie

• Anteil der Energie, der nicht in Arbeit umwandelbar ist.

Temperaturausgleich

• Wärme fließt vom wärmeren zum kälteren Körper • Endtemperatur liegt zwischen Ausgangstemperaturen.

Wärmedurchgangskoeffizient

• Maß für gesamten Wärmetransport durch Bauteil • Kleiner Wert → bessere Dämmung.

Reihenschaltung bei Wärmeübertragung

• Wärmewiderstände hintereinander • Wärmewiderstände addieren sich.

Parallelschaltung bei Wärmeübertragung

• Wärmeströme über nebeneinanderliegende Flächen • Anteile werden flächenbezogen berücksichtigt.

Mechanische Leistung

• Arbeit pro Zeit • Ẇ = W / t • Einheit Watt.

Leistung

• Energie pro Zeit • Einheit W = J/s.

Energiespeicherung

• Energie kann als innere Energie, Lageenergie oder Bewegungsenergie im System gespeichert sein.

Energieumwandlung

• Energieform ändert sich • Gesamtenergie bleibt erhalten.

Wärmeflussrichtung

• Von selbst immer von hoher zu niedriger Temperatur • Umkehr nur mit Arbeitszufuhr.

Wärmeübertragungsarten

• Wärmeleitung

• Konvektion

• Wärmestrahlung