Thermodynamik 1+2 ETHZ Überblick | Zusammenfassungen Thermodynamik

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THERMODYNAMIK 1&2

Patrik Rohner, 24. Juni 2009 (rev. 15. Juli 2010)

THE RM ODYN AMIK 1

--

KO NZE PTE U ND DEF IN ITI ONE N

KO NS TAN TE N

- Avogadro-Zahl 6.022·10 



- Bolzmannkonstante 1.38·10 



- Gaskonstante 

8.314 

  ·

- Normdruck 101325 !1.01325 "!#

- Normalfallbeschleunigung $9.81 &'

- Normtemperatur (298 )*25°,

- Tripelpunkt Wasser (- 273.16 ) 0.01°,

EI NH EIT EN

- Molmasse /: 1 2

3  

4·5·

- Druck : 16

738 !9 1"!#10: !

- Spezifisches Volumen ; <



= 8>

29 1?0.001&

- Innere Energie @:8A9 , C:1

23 , C:8 

9

- Enthalpie D:8A9 , E:1

23 , E

:8 

9

- Entropie F:1

3 , ':1 

23 , 'G: 1 

3

- Gaskonstante :1 

23H

·

4 , :1

23 H



4

- Kraft I: 8982 

J79

- Energie K: 8A982 7

J79

- Exergie KL: 8A9 82 7

J79

- Leistung : 8M98

J9 82 7

J>9

- Arbeit MNI

OP'NQ;RPS

<

< 8&98A9

- Kinetische Energie )K

&T

- Potentielle Energie K&$U

VW0 Vom System geleistete Arbeit = abgeführte Arbeit

VX0 Am System geleistete Arbeit = zugeführte Arbeit

YW0 Dem System zugeführte Wärme

YX0 Vom System abgegebene Wärme

SI -P RÄF IX E

Peta

-

10

:



Kilo

-

10



&

Milli

-

10





(

Tera

-

10



E

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-

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Giga

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Zenti

-

10

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



Pico

-

10





Zustandsgrössen

Thermische

-

Druck p

-

Temperatur T

-

Volumen V

-

Masse m

-

Stoffmenge n

Kalorische

-

Innere Energie U (T, (E

pot

))

-

Entropie S

(T,p)

-

Enthalpie H (T,p)

Prozessgrössen

-

Wärme Q

-

Arbeit W

• Intensive Grössen: ändern ihre Werte bei der gedachten Teilung des

(homogenen) Systems nicht (p,T)

• Extensive Grössen: Sind auf Masseneinheiten bezogen (m, V)

• Spezifische Grössen: ^_`

a extensive Zustandsgrössen in

intensive umgewandelt:

• Molare Grössen b:

c de·b

c`

f·b

c , b b

c

f

Bezieht sich auf  Moleküle. Bsp: Molares Volumen ;G/g

a 8 >

9

TH ER MOD YNA MI SCH ES S YST EM

• Massenstrom-System

- geschlossenes System: Anz. im System enthaltene Moleküle konst.

- offenes System: Es fliessen Massenströme über die Syst. Grenze

• Wärmestromsystem

- adiabates Systeme: Keine thermische E über Syst. Grenze = isoliert

- diathermes Systeme: nicht isoliert

• physikalisch-chemisches System

- homogenes System: physikalische und chemische

Zusammensetzung ist überall gleich.

- heterogenes System: Bsp: Mineralien

→ ein nur chemisch homogenes System kann auch 2 Phasen

beinhalten; das System [H2O (l) und H2O (g)] ist chemisch homogen

aber phisikalisch heterogen

Nullter Hauptsatz: Wenn sich zwei Systeme mit einem dritten im

Gleichgewicht befinden, sind sie auch untereinander im thermischen GG.

EL EMENT E DER KI NET IS CHE N G AS THE ORI E

Perfektes Gas Ideales Gas Realgas

Innere Energie

@



K

h

i

@



K

h

i

j

K



,

kh

Therm. Energie

K

h

i

K

h

i



l

&

4

2

·

T

m



6

m

n



Temperatur

(



1

3

K

h

i



(



1

o

K

h

i





&

/

·





5



&

/

·





·

1

S

g



&

S

;



S

&

• Thermische Energie Bewegung aller Moleküle (Translation, Rotation,

Oszillation) ergibt eine endliche Menge von kinetischer E = Eth

pqr  l `f

s·tu

s ,

v

unw pqr



pqr

v`f

s·tx

s



, yqr pqr

v·`ftx

s



s

• Wärme Q Über Systemgrenze transportierte thermische Energie.

• Abs. Temperatur Die Temperatur ist gleich der thermischen Energie

dividiert durch die Anz. Freiheitsgrade.

pqr v·z

s{|·} , pqr



 z

s{|·} , yqr  z

s{|·}

`f

~ beschreibt die Umrechnung der Temp. als Energie in J nach Kelvin.

• Innere Energie bei perfekten Gasen dpqr b

s}

• Innere Energie bei idealen Gasen dpqr b z

s}

o: Anz. Freiheitsgrade. Daraus folgt : z

s und z

sjw

 gilt weiterhin (auch bei realen Gasen)

Einatomig: f=3 Bsp: He (Translation in 3 Richtungen)

Zweiatomig: f=5 Bsp: O2, N2 (Translation und Rotation)

Dreiatomig: f=5 Bsp: CO2 (Translation und Rotation)

Dreiatomig: f=12 Bsp: CO2 (ab 1800K auch Oszillation)

• Innere Energie bei realen Gasen dpqr jpq

• Druck Kraftwirkung der Moleküle bezogen auf eine Flächeneinheit.

 1

3·&·5·T

 ,  5··( , (,5

• Enthalpie bei perfekten Gasen rbj 

s}

• Enthalpie bei idealen Gasen rbjQz

sjwR}

• Enthalpie bei realen Gasen ist in Tabellen nachzuschlagen

1. HA UP TSA TZ: EN ER GIE EI NE S S YST EMS

Energie im System: K)Kj Kj@ bleibt konstant.

U ist die innere Energie und umfasst Wärme-, Elektrische-, Bindungs-E, …

pYVY∆pj∆pj∆d

mit ∆)K und ∆ K vernachlässigt: d YVNPS

DE R ERS TE HA UP TSA TZ AL S LEI ST UNG SB ILA NZ



h M 

h &]

h dQ}sRdQ}wR`NQ}R}

}s

}w

EN ER GIE AN ALY SE VO N KRE IS PRO ZE SSE N

Y V @0

DI E P -V -T- BEZ IE HUN G

Dampfmassenteil: L

 

 (L;!Q;,;,;2R

2-Phasenraum: ;QL,(RL·;2Q(RjQ1LR·;Q(R

Linear Interpolieren: 7¡

¢7¢¡QLLRj (£?QL,L,L,,R

Isobare

gesättigter

flüssiger Zustand

trocken

gesättigter

Dampf

v

2Phasenraum

Isotherme

v

p

T

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THERMODYNAMIK 1&

THERMODYNAMIK 1-- KONZEPTE UND DEFINITIONEN KONSTANTEN- Avogadro-Zahl

,^

,^

,^

,^

SI-PRÄFIXE

THERMODYNAMISCHES SYSTEM •

Gleichgewicht befinden, sind sie auch untereinander im thermischen GG. ELEMENTE DER KINETISCHEN GASTHEORIE

, N

1. HAUPTSATZ: ENERGIE EINES SYSTEMS Energie im System:

DER ERSTE HAUPTSATZ ALS LEI STUNGSBILANZ 〱〆〱ぇ

ENERGIEANALYSE VON KREISPROZESSEN

DIE P-V-T-BEZIEHUNG Dampfmassenteil:

T

DIE IDEALE GASGLEICHUNG

IDEALE GASE: POLYTROPE ZUSTANDSÄNDERUNGEN

ISOTHERME R PROZESS

IS OBARE R PROZESS

ISOCHORER PROZESS

ISENTHALPER PROZESS

ISENTROPER PROZESS

ALLGEMEINER P ROZESS

REALE GASE: POLYTROPE ZUSTANDSÄNDERUNGEN Allgemein:

THERMODYNAMISCHE ZUSTANDSDATEN

䖀䖁^ 〰

MATHEMATISCHES

VERMISCHUNG Bei der Vermischung zweier Tanks können folgende Vereinfachungengetroffen werden: •

,^

2. HAUPTSATZ DER THERMODYNAMIK Bedeutung:-

REVERSIBLE UND IRREVERSIBLE PROZESSE Reversibel

REVERSIBLE VS. IRREVERSIBLE KOMPRESSION

REVERSIBLE VS. IRREVERSIBLE ADIABATISCHE EXPANSION

1-2: Q=W,

2-3: Q=0,

3-4: Q=W,

4-1: Q=

DER THERMISCHE WIRKUNGSGRAD ALLGEMEINDer thermische Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen Nutzen, meistmechanische Arbeit, und aufgewendeter Energie, meist Wärme.

ENTROPIE Die Entropie S ist ein Mass für die Unordnung im System.

T-S – DIAGRAMM

H-S – DIAGRAMM AKA MOLLIE R - DIAGRAMM

GLEICHUNGEN

CLAUSIUS UNGLEICHUNG Entropiezuwachs:

ENTROPIEÄNDERUNG IDEALER GASE •

ISENTROPER PROZESS BEIM IDEALEN GAS ᡱ

,^

ENTROPIEÄNDERUNG INKOMPRESSIBLER STOFFE •

ENTROPIEBILANZ FÜR GESCHLOSSENE SYSTEME

ENTROPIEBILANZ FÜR OFFENE SYSTEME

㘃^ ❹

C

GRÖSSEN -

VERBRENNUNGSPROZESSE REAKTIONSGLEICHUNGEN VE RBRENNUNG VON

AN LUFT

C

REAKTIONSGLN VERBRENNU NG VON

AN LUFT

OH:

EGR: EXHAUST GAS RECIRCULA TION / ABGASRÜCKFÜHRUNG

ENTHALPIEN •

1. HAUPTSATZ FÜR OFFENE SYSTEME •

REAKTIONSENTHALPIE UND HEIZWERTE •

BENZINMOTOR

1. HAUPTSATZ FÜR GESCHLOSSENE SYSTEME •

ADIABATE FLAMMTEMPERATUR •

.^8

ADIABATE FLAMMTEMPERATUR

K

ENTROPIE BEI VERBRENNUNGSPROZESSEN 3. HAUPTSATZ DER THERMODY NAMIKDie

ENTROPIE DURCH A BSOLUTE E NTROPIE •

ENTROPIEBILANZ FÜR STATIONÄRE, OFFENE SYSTEME

,^

ENTROPIEPRODUKTION BEI METHANVERBRENNU NG •

ENTROPIEBILANZ FÜR GESCHLOSSENE SYSTEME

CHEMISCHE EXERGIE Die Exergie teilt sich auf in die

CHEMISCHE EXERGIE VON REA KTANDEN •