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Thermodynamik Ein Vortrag von Verena Pfeifer. Inhaltsverzeichnis Was versteht man unter Thermodynamik? Temperatur Systeme Die Hauptsätze der Thermodynamik.

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Präsentation zum Thema: "Thermodynamik Ein Vortrag von Verena Pfeifer. Inhaltsverzeichnis Was versteht man unter Thermodynamik? Temperatur Systeme Die Hauptsätze der Thermodynamik."—  Präsentation transkript:

1 Thermodynamik Ein Vortrag von Verena Pfeifer

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

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

4 Temperatur Zustandsgröße Temperaturskalen sind willkürlich festgelegt Lineare Skalen zwischen zwei Fixpunkten Quelle:

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

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

7 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.

8 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.

9 1. Hauptsatz ΔU: Änderung der Inneren Energie Abgeschlossene Systeme ΔU = 0 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

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

11 1. Hauptsatz Die Enthalpie H Maß für die Energie eines thermodynamischen Systems H = U + pV Bei konstantem Druck und nur Volumenarbeit dH = dq

12 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.

13 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.

14 Richtung freiwilliger Prozesse Dissipation der Energie Prozess verläuft freiwillig in Richtung einer weiniger geordneten Verteilung der Gesamtenergie Quelle:

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

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

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

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

19 Die Entropie S Quelle:

20 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.

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

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

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

24 Thermodynamische Prozesse Quelle:

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

26 Stirling-Motor Quelle:

27 Stirling-Motor Quelle:

28 Stirling-Motor Quelle:

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

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

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

32 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.

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

34 Die Dampfmaschine Atmosphärische Dampfmaschine Quelle:

35 Die Dampfmaschine Newcomens Dampfmaschine Quelle:

36 Die Dampfmaschine Ausgangssituation nach Watt Quelle:

37 Die Dampfmaschine Quelle:

38 Die Dampfmaschine Wirkungsweise einer Kolbendampfmaschine Quelle:

39 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

40 Kälteerzeugung Der Kompressorkühlschrank Quelle:

41 Quellen Internet: default-page/c1-thermo.pdf Literatur: Atkins, de Paula: Physikalische Chemie, 4. Auflage


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