Eine Möglichkeit, thermodynamische Prozesse zu klassifizieren, besteht darin, sie hinsichtlich ihres Energieaustauschs mit der Umgebung zu differenzieren. Dabei werden die Prozesse in endotherme und exotherme Prozesse unterteilt.
Endotherme Prozesse zeichnen sich durch die Aufnahme von Energie aus der Umgebung aus, im Allgemeinen in Form von Wärme, was zu einer Senkung der Umgebungstemperatur führt. Bei exothermen Prozessen hingegen wird Energie an die Umgebung abgegeben, was zu einem Temperaturanstieg führt.
Definitionen
Endotherme Prozesse : Ein endothermer Prozess ist ein Prozess, der Energie aus der Umgebung aufnimmt, im Allgemeinen in Form von Wärme. Das bedeutet, dass für den Ablauf des Prozesses eine Energiezufuhr erforderlich ist. Dadurch sinkt die Temperatur der Umgebung.
Exotherme Prozesse : Ein exothermer Prozess ist ein Prozess, der Energie an die Umgebung abgibt, im Allgemeinen in Form von Wärme. Dies bedeutet, dass bei der Bildung der Produkte die in den Reaktanten gespeicherte Energie freigesetzt wird und es zu einem Temperaturanstieg in der Umgebung kommt.
Alltägliche Beispiele endothermer Prozesse
Um endotherme Prozesse besser zu verstehen, schauen wir uns einige alltägliche Beispiele an:
- Eisschmelze : Wenn Eis zu flüssigem Wasser schmilzt, nimmt es Wärme aus der Umgebung auf. Dieser Prozess ist endotherm, da Wärme von der Umgebungsluft auf das Eis übertragen wird, wodurch die Umgebungstemperatur leicht absinkt.
- Photosynthese : Pflanzen absorbieren Sonnenenergie, um Kohlendioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff umzuwandeln. Dieser Prozess ist nicht nur lebenswichtig für das Leben auf der Erde, sondern auch ein hervorragendes Beispiel für einen groß angelegten endothermen Prozess. Die Energie der Sonne wird in Glukosemolekülen gespeichert.
- Verdunstung von Wasser : Wenn Wasser verdunstet, nimmt es Wärme aus der Umgebung auf und geht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Dies ist ein üblicher endothermer Prozess, den wir jedes Mal erleben, wenn wir schwitzen und der Schweiß verdunstet, um unseren Körper abzukühlen.
Alltagsbeispiele exothermer Prozesse
Schauen wir uns nun einige Beispiele für exotherme Prozesse an, die wir im Alltag finden:
- Verbrennung : Bei der Verbrennung von Kraftstoffen wie Benzin in einem Auto oder Holz in einem Lagerfeuer wird eine große Menge Energie in Form von Wärme und Licht freigesetzt. Hierbei handelt es sich um eine klassische exotherme Reaktion, bei der die chemische Energie von Kraftstoffen in Wärme- und Lichtenergie umgewandelt wird.
- Zellatmung : Lebende Organismen, einschließlich des Menschen, bauen Glukose zur Energiegewinnung ab. Bei diesem Prozess wird Energie freigesetzt, die die Zellen für die Ausführung verschiedener lebenswichtiger Funktionen nutzen. Die Zellatmung ist ein Beispiel für einen exothermen biologischen Prozess.
- Kondensation von Wasserdampf : Wenn Wasserdampf zu flüssigem Wasser kondensiert, wird Wärme an die Umgebung abgegeben. Dieser Prozess, der in einer der Phasen des Wasserkreislaufs abläuft, ist der Verdunstung entgegengesetzt und exotherm, da er die Energie freisetzt, die bei der Verdunstung absorbiert wurde.
- Neutralisationsreaktionen : Wenn sich eine Säure und eine Base vermischen, reagieren sie unter Bildung von Wasser und einem Salz und setzen dabei Wärme frei. Ein häufiges Beispiel ist die Reaktion zwischen Essig (Essigsäure) und Backpulver, die neben der Freisetzung von Wärme auch Kohlendioxidblasen erzeugt.
Ein besonderer Fall: solarthermische Kraftwerke
Während des Betriebszyklus eines solarthermischen Kraftwerks finden mehrere thermodynamische Transformationen statt. In den meisten von ihnen laufen exotherme und endotherme Prozesse ab, wie wir unten sehen können:
Endotherme Prozesse in einer Solaranlage
- Absorption von Sonnenenergie : Parabolspiegel oder Heliostaten konzentrieren das Sonnenlicht auf einen zentralen Empfänger. Die Energie der Sonne wird von einer Wärmeträgerflüssigkeit (z. B. geschmolzenen Salzen oder Thermoölen) absorbiert und erhöht so deren Temperatur. Dies ist ein endothermer Prozess, da die Flüssigkeit Sonnenenergie absorbiert, um sich selbst zu erwärmen.
- Transferflüssigkeitserwärmung : Die durch Sonnenenergie erhitzte Flüssigkeit wird verwendet, um Wasser zu erhitzen und in Dampf umzuwandeln. Das Wasser nimmt Wärme von der Übertragungsflüssigkeit auf und wird zu Hochdruckdampf. Dieser Prozess ist auch endotherm, da Wasser eine erhebliche Menge an Wärmeenergie absorbieren muss, um vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand überzugehen.
Exotherme Prozesse in einem solarthermischen Kraftwerk
- Stromerzeugung in der Turbine : Der erzeugte Hochdruckdampf wird zu einer Turbine geleitet. Bei der Expansion des Dampfes in der Turbine gibt er seine Wärmeenergie ab und wird in mechanische Energie umgewandelt, die wiederum von einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Dieser Prozess ist exotherm, da der Dampf beim Abkühlen und Ausdehnen Energie an die Umgebung abgibt.
- Dampfkondensation : Nach dem Durchgang durch die Turbine kühlt sich der Wasserdampf ab und kondensiert in einem Kondensator wieder zu flüssigem Wasser, wobei er Wärme an die Umgebung abgibt. Dabei handelt es sich um einen exothermen Prozess, da die Energie, die beim Verdampfen von Wasser aufgenommen wurde, wieder freigesetzt wird, wenn der Dampf wieder flüssig wird.