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Thermodynamik.
Energieumwandlung

I Verbrennung thermische Energie.
Auswirkungen der Thermodynamik

Entropy

Thermodynamik

Thermodynamik

Die Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der die Auswirkungen von Änderungen von Temperatur, Druck und Volumen eines physikalischen Systems (eines Materials, einer Flüssigkeit, einer Reihe von Körpern usw.) auf makroskopischer Ebene untersucht. Die Wurzel "Thermoskanne" bedeutet Wärme und Dynamik bezieht sich auf Bewegung, daher untersucht die Thermodynamik die Bewegung von Wärme in einem Körper. Materie besteht aus verschiedenen Teilchen, die sich ungeordnet bewegen. Die Thermodynamik untersucht diese gestörte Bewegung.

Die praktische Bedeutung liegt im Wesentlichen in der Vielfalt der darin beschriebenen physikalischen Phänomene. Folglich hat die Kenntnis dieser Vielfalt zu einer enormen technologischen Produktivität geführt.

Was studiert die Thermodynamik?

In der Thermodynamik werden die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen thermodynamischen Systemen untersucht und klassifiziert.

Ein thermodynamisches System zeichnet sich durch seine Eigenschaften aus, die durch Zustandsgleichungen miteinander verbunden sind. Diese können kombiniert werden, um innere Energie und thermodynamische Potentiale auszudrücken, die zur Bestimmung der Gleichgewichtsbedingungen zwischen Systemen, spontanen Prozessen und des Energieaustauschs mit ihrer Umgebung nützlich sind  .

Die Hauptelemente, die wir für Ihre Studie haben, sind:

  • Die Gesetze der Thermodynamik. Diese Gesetze definieren, wie Energie in Form von Wärme oder Arbeit zwischen physikalischen Systemen ausgetauscht werden kann.
  • Entropie. Entropie ist eine Größe, die für jedes System definiert werden kann. Insbesondere definiert Entropie die Störung, bei der sich die inneren Teilchen, aus denen die Materie besteht, bewegen, dh die kinetische Energie, die die Teilchen, aus denen ein Körper besteht, haben .
  • Enthalpie. Die Enthalpie ist eine Zustandsfunktion des betrachteten physikalischen Systems. Tatsächlich hat der erste Hauptsatz der Thermodynamik in Abhängigkeit von der Enthalpie die Form dQ = dH - Vdp, dh die einem System zugeführte Wärmemenge wird verwendet, um die Enthalpie zu erhöhen und externe Arbeit zu leisten - Vdp.

Mit diesen Werkzeugen beschreibt die Thermodynamik, wie Systeme auf Änderungen in ihrer Umgebung reagieren. Oft gilt diese Studie für Gase. In diesem Fall werden häufig die idealen Gase diskutiert.

Was ist ein ideales Gas?

Ein ideales Gas ist ein theoretisches Gas, das aus einer Reihe von Punktpartikeln mit zufälliger Verschiebung besteht, die nicht miteinander interagieren, dh die Partikel, aus denen es besteht, tauschen keine  Energie aus.

Das ideale Gaskonzept ist nützlich, weil es sich nach dem idealen Gasgesetz verhält, einer vereinfachten Zustandsgleichung, die mithilfe statistischer Mechanik analysiert werden kann.

Unter normalen Bedingungen wie normalen Druck- und Temperaturbedingungen verhalten sich die meisten realen Gase qualitativ wie ein ideales Gas.

Was sind die Gesetze der Thermodynamik?

Die Prinzipien der Thermodynamik wurden im 19. Jahrhundert formuliert, die die thermodynamischen Transformationen, ihren Fortschritt und ihre Grenzen regulieren. Tatsächlich sind sie echte Axiome, die auf der Erfahrung beruhen, auf der die gesamte Theorie basiert.

Insbesondere können drei Grundprinzipien unterschieden werden, plus ein "Null" -Prinzip, das die Temperatur definiert und das in den anderen drei impliziert ist.

Nullprinzip der Thermodynamik

Das Nullgesetz der Thermodynamik besagt, dass zwei wechselwirkende Systeme, wenn sie sich im thermischen Gleichgewicht befinden, einige Eigenschaften gemeinsam haben, die gemessen werden können, indem ihnen ein genauer numerischer Wert gegeben wird. Wenn sich zwei Systeme mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht befinden, befinden sie sich folglich im Gleichgewicht miteinander und die gemeinsame Eigenschaft ist die Temperatur.

Erstes thermodynamisches Prinzip

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass, wenn ein Körper mit einem anderen relativ kälteren Körper in Kontakt kommt, eine Transformation stattfindet, die zu einem Gleichgewichtszustand führt, in dem die Temperaturen der beiden Körper gleich sind.

Das erste Prinzip ist daher ein Prinzip der Energieeinsparung. In jeder thermischen Maschine wird eine bestimmte Energiemenge in Arbeit umgewandelt: Es kann keine Maschine geben, die Arbeit produziert, ohne Energie zu verbrauchen.

Kurz gesagt, das erste thermodynamische Prinzip wird traditionell wie folgt angegeben: Die Variation der inneren Energie eines geschlossenen thermodynamischen Systems entspricht der Differenz zwischen der dem System zugeführten Wärme und der vom System in der Umgebung geleisteten Arbeit.

Zweites thermodynamisches Prinzip

Es gibt mehrere Aussagen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, die alle gleichwertig sind, und jede der Formulierungen betont einen bestimmten Aspekt. Erstens stellt er fest, dass "es unmöglich ist, eine zyklische Maschine herzustellen, die das einzige Ergebnis der Übertragung von Wärme von einem kalten Körper auf einen warmen Körper hat" (Clausius-Aussage). Daher geht die  Wärmeübertragung immer vom heißen zum kalten Körper.

Andererseits kann auch äquivalent gesagt werden, dass "es unmöglich ist, eine Umwandlung durchzuführen, deren Ergebnis nur die Umwandlung der aus einer einzigen Quelle entnommenen Wärme in mechanische Arbeit ist" (Kelvins Aussage).

Drittes Prinzip der Thermodynamik

Das dritte Prinzip der Gesetze der Thermodynamik ist eng mit letzterem verwandt und wird in einigen Fällen als Folge des letzteren angesehen. In diesem Sinne kann gesagt werden, dass "es unmöglich ist, mit einer endlichen Anzahl von Transformationen den absoluten Nullpunkt zu erreichen" und eine genaue Definition der als Entropie bezeichneten Größe liefert.

Zusätzlich besagt der dritte Hauptsatz der Thermodynamik, dass die Entropie für einen perfekt kristallinen Feststoff bei einer Temperatur von 0 Kelvin gleich 0 ist.

Verwandte Konzepte

Bei der Untersuchung der Thermodynamik erscheinen verschiedene Konzepte, die bekannt sein sollten:

Was ist ein thermodynamisches System?

Ein thermodynamisches System bezieht sich auf einen begrenzten Bereich, der für die thermodynamische Forschung verwendet wird, und ist Gegenstand der Forschung. Der Weltraum des thermodynamischen Systems wird als Umgebung dieses Systems bezeichnet.

Die Grenzen eines Systems trennen das System von seinem Äußeren. Diese Grenze kann real oder imaginär sein, aber das System muss auf einen begrenzten Raum beschränkt sein. Das System und seine Umgebung können an der Grenze Materie, Arbeit, Wärme oder andere Energieformen übertragen.

Was ist ein thermodynamischer Zyklus?

Ein thermodynamischer Zyklus ist ein Kreislauf thermodynamischer Umwandlungen, die in einer oder mehreren Vorrichtungen durchgeführt werden, um Arbeit von zwei Wärmequellen bei unterschiedlichen Temperaturen zu erhalten oder umgekehrt durch den Beitrag von Arbeit den Wärmedurchgang von der zu erzeugen Quelle mit niedrigerer Temperatur bei höherer Temperatur.

Ziel eines thermodynamischen Kreislaufs ist es, Arbeiten aus zwei Wärmequellen bei unterschiedlichen Temperaturen zu erhalten, beispielsweise in einer solarthermischen Energieanlage. Die erhaltene Arbeit wird im Allgemeinen zur Erzeugung von Bewegung oder zur Erzeugung von Elektrizität verwendet.

Leistung ist der Hauptparameter, der einen thermodynamischen Zyklus charakterisiert. Die Wärmeleistung eines thermodynamischen Zyklus ist definiert als die erhaltene Arbeit geteilt durch die im Prozess aufgewendete Wärme.

Was sind die thermodynamischen Eigenschaften?

Thermodynamische Eigenschaften sind die Eigenschaften, die den thermodynamischen Zustand eines Systems definieren und in ihn eingreifen. Die Thermodynamik zeichnet sich durch einen Gleichgewichtszustand aus, in dem Druck, Volumen, Temperatur und Zusammensetzung vorliegen.

Diese Eigenschaften können als umfangreich oder intensiv eingestuft werden. Unter diesen Eigenschaften finden wir innere Energie, Entropie, Enthalpie, Wärme, Temperatur, Druck, Volumen usw.

Was bedeutet Wärmeleistung?

Die Wärmeleistung oder der Wirkungsgrad einer thermischen Maschine ist ein dimensionsloser Koeffizient oder ein dimensionsloses Verhältnis, das als Quotient aus der erzeugten Energie (in einem Betriebszyklus) und der der Maschine zugeführten Energie (damit sie den thermodynamischen Zyklus vervollständigen kann) berechnet wird. Es wird mit dem griechischen Buchstaben η bezeichnet

Abhängig vom Typ der thermischen Maschine erfolgt die Übertragung dieser Energien in Form von Wärme Q oder Arbeit W.

Der französische Physiker Sadi Carnot leitete 1824 den thermischen Wirkungsgrad einer idealen thermischen Maschine in Abhängigkeit von der Temperatur ihrer heißen und kalten Reservoire ab:

Thermodynamik

wo:

Th ist die Temperatur des heißen Reservoirs;
Tc ist die Temperatur des kalten Reservoirs.

Zusammenfassend besagt die Wärmeleistungsgleichung, dass höhere Wirkungsgrade mit einem höheren Temperaturgradienten zwischen heißen und kalten Flüssigkeiten erzielt werden. In der Praxis ist der Wirkungsgrad des Motors umso größer, je heißer die Flüssigkeit ist.

Wofür ist Thermodynamik?

Die Thermodynamik kann auf eine Vielzahl von wissenschaftlichen und technischen Themen angewendet werden, z. B. Motoren, Phasenübergänge, chemische Reaktionen, Transportphänomene und sogar Schwarze Löcher.

Hier sind einige Beispiele für einige ihrer Anwendungen:

  • Essen. Die heiße Küche ist ein ständiges Beispiel für chemische Umwandlungen durch thermodynamische Prozesse.
  • Materialwissenschaft. In diesem Fall werden thermische Prozesse verwendet, um neue Arten von Materialien mit genau definierten chemischen und physikalischen Eigenschaften zu erhalten.
  • Industrielle Anwendungen. In der industriellen Welt gibt es viele Prozesse, die Rohstoffe mithilfe von Maschinen und Energie in fertige Produkte umwandeln. Ein Beispiel ist die Keramikindustrie, in der lange Tunnelöfen Ziegelsteine ​​bei Temperaturen über 800 Grad Celsius feuern.
  • Architektur. Im Baubereich ist es sehr wichtig, die Wärmeübertragungen zwischen Außen- und Innenbereich des Hauses zu berücksichtigen. In der bioklimatischen Architektur spielt die Thermodynamik eine grundlegende Rolle, weshalb alle Aspekte der passiven Sonnenenergie eingehend untersucht werden.
  • Stromerzeugung. In allen Wärmekraftwerken ( fossile Brennstoffe, Kernkraftwerke oder Solarkraftwerke) werden diese Konzepte zum Antrieb von Dampfturbinen und elektrischen Generatoren verwendet.

Die thermodynamische Untersuchung ist bei thermischer Solarenergie von großer Bedeutung, da diese Art der Solaranlage auf Wärmeaustausch basiert.

Letztendlich sind thermodynamische Ergebnisse für andere Bereiche der Physik und Chemie, der chemischen Verfahrenstechnik, der Luft- und Raumfahrttechnik, des Maschinenbaus, der Zellbiologie, der biomedizinischen Technik und der Materialwissenschaften von wesentlicher Bedeutung, um nur einige zu nennen.

Was ist thermodynamische Sonnenenergie?

Diese Anwendung von Sonnenenergie ist ein technologisches System, das den Unterschied zwischen der Temperatur der Flüssigkeit in den Solarmodulen (in diesem Fall thermodynamischen Modulen) und der Umgebungstemperatur ausnutzt.

In der thermodynamischen Sonnenenergie führen Sonnenkollektoren ein Kühlmittel mit einer sehr niedrigen Temperatur. Das mit Raumtemperatur in Kontakt stehende Kühlmittel unterliegt einem thermodynamischen Wärmeaustauschprozess, solange die Außentemperatur nicht niedriger als die des Kühlmittels ist.

Der Vorteil dieses Systems besteht darin, dass Wärmeenergie auch nachts, bei widrigen Wetterbedingungen, Regen, Wind usw. erzeugt werden kann.

Referenzen

Autor:

Erscheinungsdatum: 15. Juni 2016
Geändert am: 18. April 2020