Thermodynamik
Ein Vortrag von Verena Pfeifer
Inhaltsverzeichnis 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?
Wärmelehre Temperatur, Wärme &
Umwandlung von Energie Läuft ein Vorgang spontan ab? In welche Richtung verläuft ein
Vorgang?
Temperatur Zustandsgröße
Temperaturskalen sind willkürlich festgelegt
Lineare Skalen zwischen zwei Fixpunkten
Quelle: http://tlt.its.psu.edu/mto/energy/graphics/tempscalessmall.gif
SystemeAbgeschlossenes System
Weder Energie- noch Stoffaustausch
Offenes System
Energie- und Stoffaustausch
Geschlossenes System
Energieaustausch, jedoch kein Stoffaustausch
Die Hauptsätze
0. Hauptsatz Stehen zwei Systeme jeweils mit
einem dritten im thermischen Gleichgewicht, so stehen sie auch untereinander im Gleichgewicht.
Die Hauptsätze 1. Hauptsatz
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energiearten umgewandelt werden.
2. Hauptsatz Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße
in andere Energiearten umwandelbar.
3. Hauptsatz Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist
unerreichbar.
1. Hauptsatz
Definition der Inneren Energie: Gesamtenergie eines Systems Summe
der kinetischen und potentiellen Energie seiner Moleküle
Zustandsgröße
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energiearten umgewandelt werden.
1. Hauptsatz ΔU: Änderung der Inneren Energie
Abgeschlossene Systeme ΔU = 0
AE UUU wqU
wqdU
• dU : differentielle Änderung der inneren Energie eines Systems• δq : differentielle Wärmemenge, die das System bei der Zustandsänderung aufnimmt• δw : am System geleistete Arbeit
- δq und δw sind wegabhängig, also keine Zustandsfunktionen
1. Hauptsatz Wärmeübergänge
eVol wwqdU
qdU
bei konstantem Volumen und keiner Nichtvolumenarbeit:
Die Änderung der Inneren Energie entspricht der zugeführten Wärme.
1. Hauptsatz
Die Enthalpie H Maß für die Energie eines
thermodynamischen Systems
H = U + pV
Bei konstantem Druck und nur Volumenarbeit
dH = dq
2. Hauptsatz
Clausius: Es gibt keine Zustandsänderung, deren
einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist.
Kelvin: Es ist nicht möglich, Wärme aus einem
Wärmebad zu entnehmen und vollständig in Arbeit umzuwandeln.
Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar.
Reversibilität & Irreversibilität
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
Dissipation der Energie Prozess verläuft freiwillig in Richtung
einer weiniger geordneten Verteilung der Gesamtenergie
Quelle: http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/Randolph_Bailey/Web%20Project/bouncing%20ball.JPG
Die Entropie S
Maß für die Dissipation der Energie bei einem Prozess
Bei einer freiwilligen Zustandsänderung nimmt die Entropie eines abgeschlossenen Systems zu:
ΔSgesamt > 0
Die Entropie S Thermodynamische Definition:
T
qdS rev
revq
Wärmemenge, die bei reversiblen Prozessen mit der Umgebung ausgetauscht wird:
Temperatur
Wärmemengehteausgetausc
T
qrev
Diesen Quotienten bezeichnet man als reduzierte Wärmemenge:
Die Entropie S Reversible Prozesse
Die Entropie des Gesamtsystems (System & Umgebung) bleibt konstant
dS = 0 SSystem und SUmgebung können sich ändern
Irreversible Prozesse Die Entropie des Gesamtsystems wächst
bis zu einem Maximalwert an dS > 0
Die Entropie S Statistische Definition
Nach Ludwig Boltzmann: Die Entropie ist proportional zur Zahl der
mikroskopisch möglichen Zuständen
: Zahl der Realisierungsmöglichkeiten Bk
ln BkS
: Boltzmann-Konstante
Die Entropie S
Quelle: http://www.ifw-dresden.de/institutes/imw/lectures/lectures/pwe/pwe-default-page/c1-thermo.pdf
3. Hauptsatz
Max Plancks Formulierung des Nernstschen Wärmetheorems:
"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 = 0K gleich null setzt, dann hat jede Verbindung von Elementen (also jede Substanz) eine positive Entropie."
Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist unerreichbar.
Thermodynamische Prozesse
Isotherme Prozesse
Durchführung bei gleichbleibender Temperatur
Realisierung durch thermischen Kontakt mit Wärmebad
Thermodynamische Prozesse
Isobare Prozesse
Durchführung bei gleichbleibendem Druck
Isochore Prozesse
Durchführung bei gleichbleibendem Volumen
Thermodynamische Prozesse
Adiabatische Prozesse
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
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/exp1/lehre/umwelt_energie/stirlingmotor.pdf
Der Carnot-Zyklus
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
Die vier reversiblen Teilschritte:
isotherme Expansion
adiabatische Expansion
isotherme Kompression
adiabatische Kompression
Der Carnot-Zyklus Der Carnotsche Wirkungsgrad
wq
w
Wärmeneaufgenomme
ArbeitgeleisteteWirkungsgrad allgemein:
w
k
w
kw
q
q
q
1Als Funktion der ausgetauschten Wärme:
k
w
k
w
T
T
q
qFür ein ideales Gas gilt:
w
krev T
T1Hieraus folgt der Carnotsche Wirkungsgrad:
Der Carnot-Zyklus
Folge des zweiten Hauptsatzes: Der Wirkungsgrad aller reversibel arbeitender
Maschinen muss ungeachtet ihrer Bauweise und des Arbeitsmediums gleich sein.
Carnot-Prinzip: Zwischen zwei gegebenen Wärmereservoiren
hat die reversibel arbeitende Wärmekraftmaschine den höchstmöglichen Wirkungsgrad.
Die Dampfmaschine
Anfänge:
1690, Denis Papin: atmosphärische Dampfmaschine
1712, Thomas Newcomen: erste verwendbare Dampfmaschine
1769, James Watt: erhebliche Verbesserung des Newcomenschen Wirkungsgrades
Die Dampfmaschine Atmosphärische Dampfmaschine
Quelle: http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09/umwelt_technik/08dampfm/papin.htm
Die Dampfmaschine Newcomens Dampfmaschine
Quelle: http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09/umwelt_technik/08dampfm/newcomen.htm
Die Dampfmaschine Ausgangssituation nach Watt
Quelle: http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09/umwelt_technik/08dampfm/dampfmasch.htm
Die Dampfmaschine
Quelle: http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09/umwelt_technik/08dampfm/dampfmasch.htm
Die Dampfmaschine Wirkungsweise einer Kolbendampfmaschine
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Steam_engine_in_action.gif
Kälteerzeugung 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
0S
kT
wT
kq
Kälteerzeugung Der Kompressorkühlschrank
Quelle: http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09/umwelt_technik/07kuehlschrank/kuehlschrank.htm
Quellen
Internet: 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/lectures/
pwe/pwe-default-page/c1-thermo.pdf http://de.wikipedia.org/wiki/Carnot-Kreisprozess http://de.wikipedia.org/wiki/Entropie http://de.wikipedia.org/wiki/K%C3%BChlschrank http://de.wikipedia.org/wiki/Dampfmaschine
Literatur: Atkins, de Paula: Physikalische Chemie, 4. Auflage