Die Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der den Austausch von Energie und Materie in Systemen untersucht. Eines seiner grundlegenden Konzepte ist der thermodynamische Zustand , der ein System vollständig anhand einer Reihe von Variablen beschreibt, die eine Vorhersage seines Verhaltens ermöglichen.
Thermodynamische Systeme zeichnen sich durch eine Reihe physikalischer, chemischer und mechanischer Eigenschaften aus, die ihren Zustand bestimmen, und dieser kann durch thermodynamische Prozesse manipuliert oder verändert werden.
Was ist ein thermodynamischer Zustand?
Ein thermodynamischer Zustand ist die Menge aller Zustandsvariablen eines thermodynamischen Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt. Zu diesen Variablen können unter anderem Temperatur, Druck, Volumen, innere Energie und Enthalpie gehören.
Zustandsgrößen sind solche Größen, die eine vollständige Beschreibung des Zustands eines Systems ermöglichen. Mit anderen Worten: Es spielt keine Rolle, wie das System in diesen Zustand gelangt ist. Das Einzige, was zählt, ist der Wert der Variablen im aktuellen Moment.
Ein einfaches Beispiel ist ein Gas, das in einem geschlossenen Behälter wie dem Kolben einer Wärmekraftmaschine enthalten ist. Um den Zustand des Gases zu beschreiben, ist es notwendig, seinen Druck, sein Volumen und seine Temperatur zu kennen. Sobald diese Variablen bestimmt sind, ist der Zustand des Systems vollständig definiert.
Zustandsvariablen
Zustandsgrößen oder Zustandsparameter sind physikalische Größen, die den Zustand eines thermodynamischen Systems im Gleichgewicht beschreiben , ohne dass dessen Vorgeschichte bekannt sein muss.
Diese können in zwei Typen eingeteilt werden:
- Umfangreiche Variablen : Dies sind solche, die von der Menge der Materie im System abhängen, wie zum Beispiel Volumen, innere Energie, Enthalpie und Masse.
- Intensive Variablen : Sie hängen nicht von der Menge der Materie wie Temperatur, Druck und Dichte ab.
Für jedes System reicht die Kombination einer ausreichenden Anzahl dieser Zustandsvariablen aus, um seinen thermodynamischen Zustand vollständig zu beschreiben.
Die Beziehungen zwischen diesen Variablen werden durch die Zustandsgleichungen bestimmt.
Staatsfunktionen und ihre Bedeutung
Eine Zustandsfunktion ist jede Eigenschaft eines Systems, die ausschließlich vom aktuellen Zustand des Systems abhängt, unabhängig vom Pfad oder Prozess, über den es diesen Zustand erreicht hat.
Zustandsfunktionen sind in der Thermodynamik von grundlegender Bedeutung, da sie es uns ermöglichen, vorherzusagen, wie sich das System ändern wird, ohne seine gesamte Geschichte verfolgen zu müssen. Dies vereinfacht thermodynamische Analysen erheblich.
Beispiele für Staatsfunktionen
Einige Beispiele für Zustandsfunktionen sind:
- Innere Energie (U) : Sie ist die Summe der kinetischen und potentiellen Energie aller Teilchen in einem System.
- Enthalpie (H) : Stellt die Gesamtenergie eines Systems dar, einschließlich der inneren Energie und des Produkts aus Druck und Volumen.
- Entropie (S) : Sie ist ein Maß für die Unordnung oder Zufälligkeit in einem System.
- Druck (P) : Vom System pro Flächeneinheit ausgeübte Kraft.
- Temperatur (T) : Ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Partikel im System.
- Volumen (V) : Vom System eingenommener Raum.
Die Zustandsgleichungen: Beziehung zwischen Zustandsvariablen
Zustandsgleichungen sind mathematische Beziehungen, die die Zustandsgrößen eines Systems verknüpfen.
Im Allgemeinen bieten Zustandsgleichungen eine Möglichkeit, vorherzusagen, wie sich die Eigenschaften eines Systems als Reaktion auf Änderungen der äußeren Bedingungen wie Temperatur oder Druck ändern.
Für ein ideales Gas beispielsweise ist die Zustandsgleichung die bekannte ideale Gasgleichung:
P·V=n·R·T
Wo:
- P ist der Druck,
- V ist das Volumen,
- n ist die Stoffmenge (in Mol),
- R ist die ideale Gaskonstante und
- T ist die absolute Temperatur.
Bei komplexeren Systemen wie realen Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern können die Zustandsgleichungen viel komplizierter sein.
Das thermodynamische Gleichgewicht
Ein grundlegendes Konzept der Thermodynamik ist das thermodynamische Gleichgewicht. Ein System befindet sich im Gleichgewichtszustand, wenn sich seine makroskopischen Eigenschaften im Laufe der Zeit nicht ändern.
Dies bedeutet, dass das System einen Zustand erreicht hat, in dem die Kräfte und Energie- oder Materieströme ausgeglichen sind.
Es gibt verschiedene Arten von Gleichgewicht, die ein System erreichen kann:
- Thermisches Gleichgewicht : Es wird erreicht, wenn die Temperatur im gesamten System gleichmäßig ist und kein Wärmefluss zwischen den verschiedenen Teilen des Systems oder mit seiner Umgebung stattfindet.
- Mechanisches Gleichgewicht : Dies tritt auf, wenn die auf das System einwirkenden inneren und äußeren Kräfte im Gleichgewicht sind, so dass es keine Nettobewegung der Materie oder Druckänderungen gibt.
- Phasengleichgewicht : Tritt auf, wenn die Masse jeder Phase eines Systems über die Zeit konstant bleibt. Ein klassisches Beispiel ist ein System, in dem eine Flüssigkeit und ihr Dampf im Gleichgewicht koexistieren.
- Chemisches Gleichgewicht : Tritt auf, wenn chemische Reaktionen innerhalb eines Systems einen Punkt erreicht haben, an dem die Vorwärts- und Rückreaktionsgeschwindigkeiten gleich sind und sich die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte nicht ändern.
In der Praxis erfährt ein System, das das thermodynamische Gleichgewicht erreicht hat, keine weiteren spontanen Änderungen seiner makroskopischen Eigenschaften.
Thermodynamische Zustandsdiagramme
Eine nützliche Möglichkeit, die Zustände und Übergänge eines Systems darzustellen, sind thermodynamische Diagramme . Mit diesen Diagrammen können Sie visualisieren, wie sich die Zustandsvariablen eines Systems während eines Prozesses ändern.
- PV-Diagramm (Druck-Volumen-Diagramm) : Es ist eines der gebräuchlichsten Diagramme und wird zur Darstellung von Prozessen in Gassystemen verwendet. In diesem Diagramm stellt die Fläche unter der Kurve in einem isobaren Prozess (konstanter Druck) die vom System geleistete Arbeit dar.
- TS-Diagramm (Temperatur-Entropie) : Dieses Diagramm ist besonders nützlich bei der Analyse thermodynamischer Kreisläufe, beispielsweise des Carnot-Zyklus. Die Fläche unter der Kurve in einem geschlossenen Kreislauf in einem TS-Diagramm stellt die ausgetauschte Wärme dar.
- HS-Diagramm (Enthalpie-Entropie) oder Mollier-Diagramm : Wird im Ingenieurwesen häufig zur Untersuchung von Turbinen, Kompressoren und anderen Energieanlagen verwendet.
Thermodynamische Prozesse
Thermodynamische Systeme können thermodynamische Prozesse durchlaufen , bei denen es sich um Übergänge von einem Gleichgewichtszustand in einen anderen handelt. Bei diesen Prozessen verändern sich Zustandsgrößen und es kann zu Energie- und Stoffaustauschen mit der Umgebung kommen.
Einige gängige Arten von Prozessen sind:
- Isobarer Prozess : Tritt bei konstantem Druck auf.
- Isochorer Prozess : Wird bei konstantem Volumen durchgeführt.
- Isothermer Prozess : Er findet bei konstanter Temperatur statt.
- Adiabatischer Prozess : Es findet kein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt.
Die Gesetze der Thermodynamik und thermodynamischen Zustände
Die Gesetze der Thermodynamik sind Grundprinzipien, die thermodynamische Zustände und Prozesse regeln.
- Nullter Hauptsatz der Thermodynamik: besagt, dass, wenn zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System sind, sie auch untereinander im thermischen Gleichgewicht sind. Dies bedeutet, dass zwischen diesen Systemen kein Nettowärmefluss stattfindet, wenn sie miteinander in Kontakt stehen, was bedeutet, dass sie alle die gleiche Temperatur haben.
- Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung): Er besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. In einem thermodynamischen System entspricht die Änderung der inneren Energie der zugeführten Wärme abzüglich der vom System geleisteten Arbeit.
- Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik : Führt das Konzept der Entropie ein und besagt, dass in jedem spontanen Prozess die Gesamtentropie des Systems und seiner Umgebung immer zunimmt. Dies bedeutet, dass irreversible Prozesse tendenziell die Störung verstärken.
- Dritter Hauptsatz der Thermodynamik : Postuliert, dass sich die Entropie eines Systems einem Minimalwert nähert, wenn sie sich dem absoluten Nullpunkt nähert, und in einigen Fällen in perfekt geordneten Systemen einen Wert von Null erreichen kann.
Beispiele für thermodynamische Zustände:
Hier sind einige Beispiele für thermodynamische Zustände für verschiedene Systeme:
Wärmeübertragungsflüssigkeitssystem in einem Solarkollektor
Eine Wärmeträgerflüssigkeit wie Glykol strömt durch einen Solarthermiekollektor und erreicht unter einem Druck von 2 atm eine Temperatur von 120 °C (393 K).
Mithilfe der Flüssigkeit wird die von den Kollektoren aufgenommene Wärmeenergie an einen Wärmetauscher übertragen, um Wasser zu erhitzen oder Dampf zu erzeugen.
Dieser Zustand beschreibt die durch Sonnenenergie erhitzte Thermoflüssigkeit in einer Solarthermieanlage.
Solarwärmespeicher
Ein Wärmespeichertank, der durch Solarthermie auf 90 °C erhitztes Wasser unter einem Druck von 1,5 atm enthält.
Dies ist ein häufiger Zustand bei Solarwärmespeichersystemen, bei denen das heiße Wasser anschließend zum Heizen oder zur Dampferzeugung in einer konzentrierenden Solaranlage (CSP) verwendet wird.
Die relevanten Größen sind Temperatur, Druck und Wassermenge.
Solarerzeugtes Dampfsystem
Wasserdampf bei 200 °C (473 K), der von einem Feld solarthermischer Kollektoren erzeugt wird, die die Sonnenstrahlung konzentrieren.
Der Dampf hat eine Geschwindigkeit von 15 atm und wird zum Antrieb einer Turbine in einem Stromerzeugungssystem mit konzentrierter Solarenergie (CSP) verwendet.
Hier ist die Sonnenstrahlung die Energiequelle, um die innere Energie des Wassers zu erhöhen und es in Dampf umzuwandeln, der die Turbine antreibt.
Solarenergie-Wärmeaustauschsystem
Ein System, bei dem eine Flüssigkeit, beispielsweise Thermoöl, durch Rohre fließt, die Sonnenstrahlung absorbieren, und dabei eine Temperatur von 300 °C und einen Druck von 3 atm erreicht.
Die Wärme der Flüssigkeit wird dann an ein Wärmetauschersystem übertragen, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen. Dies ist ein typischer Bestandteil einer Solarthermieanlage, bei der das Thermalöl die absorbierte Sonnenenergie transportiert.
Kältemittelsystem in einem Kühlkreislauf
Ein Kältemittel wie R-134a zirkuliert in einem Dampfkompressionskreislauf, der in einem Kühlsystem verwendet wird. In einer Stufe befindet sich das Kältemittel nach dem Durchgang durch den Verdampfer im Dampfzustand bei einer Temperatur von -10 °C und einem Druck von 2 atm. Dieser Zustand beschreibt den Prozess der Aufnahme von Wärme aus der Umgebung durch das Kältemittel, eine häufige Anwendung in Klimaanlagen und Kühlschränken.
Verbrennungsmotor
Im Otto-Zyklus eines Verbrennungsmotors befinden sich Luft und Kraftstoff unmittelbar nach der Verbrennung bei einer Temperatur von 1500 K, einem Druck von 30 atm und einem kleinen Volumen (nahe dem minimalen Zylindervolumen).
Dies ist ein Schlüsselzustand im Betriebszyklus des Motors, in dem das Luft-Kraftstoff-Gemisch seine maximale Temperatur und seinen maximalen Druck erreicht und den Kolben antreibt.
Druckluftsystem in einer Fabrik
Druckluft gespeichert in einem Tank bei 298 K (25°C), unter einem Druck von 8 atm und mit einem Volumen von 50 Litern.
Druckluft wird zum Antrieb von pneumatischen Werkzeugen oder Steuerungssystemen in einer Fabrik verwendet. Die Zustandsgrößen, die Druckluft beschreiben, sind Temperatur, Druck und Volumen.
Solide im Sublimationszustand
Ein Block Trockeneis (festes Kohlendioxid), der Umgebungsluft bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C (293 K) und einem Atmosphärendruck von 1 atm ausgesetzt ist.
In diesem Zustand sublimiert Trockeneis, geht direkt vom Feststoff in den Gaszustand über und nimmt mit der Zeit an Masse ab. Zu den Zustandsvariablen in diesem System gehören Temperatur, Druck und Masse des Feststoffs/Gases in diesem Phasenübergangsprozess.