thermodynamik (Fach) / 6. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik (Lektion)

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  • Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Liefert Einschränkungen, notwendige Bedingungen unter denen Umwandlungsprozesse ablaufen. 1ster und 2ter zusammen liefern schließlich alle hinreichenden Bedingungen.
  • Entropie Die Entropie ist eine Zustandsgrüße , also eine Eigenschaft von Materie. Auf der Basis von Entropievergleichen lassen sich mögliche von unmöglichen Zustandsänderungen unterscheiden, sowie der Grad der Irreversibilität von Systemen , also ihre inneren Verluste quantifizieren. Vergleich zweier Zeitpunkte t2>t1 S2=s1 : reversibler Prozess – idealer Prozess S2>s1 : irreversible Prozess  - realer Prozess S1>s2: unmöglicher Prozess S2-S1 = Maß für die Irreversibilität  
  • Verknüpfung der Entropie mit therm.und energetischen Zustandsgrößen Reibungsarbeit Wr ist kein Entropieersatz , da keine Zustandsgröße – repräsentiert nur einen Teilaspekt aller möglichen Irreversibilitäten   Ds =  du + pdV  / T =  dh – vdp   /  T  =  d sin                                        adiabates S   Entropie und Wärme Ds= dq / T  + d w / T                                                                                      diabates S  
  • Es lassen sich folgende 3 Fälle unterscheiden:     - Diabates , irreversibles System : ds = dq / T +  dw / T  - Adiabates irreversibles System : ds = d w1  / T - Diabates reversibles System  ds = d q / T     Durch alle irreversible Prozesse wird Entropie erzeugt, die niemals negativ ist . Nur reversible Prozesse sind frei von Entropie-erzeugung. Mit der Übertragung von Wärme über die Systemgrenze tauschen Systeme auch Entropie mit der Umgebung aus.      
  • Entropiestrombilanz und Entropiebilanz Momentanaufnahme – Entropiestrombilanz . Integral über einen Zeitraum – Entropiebilanz . Der Arbeitsaustausch zw. System und Umgebung immer reversibel – bis auf Reibungsarbeit steigert auch als einzige die Entropie. Potentielle und kinetische Energie steigern ebenso nicht die Entropie. 
  • Spezialfälle :   a )         Instationär                        geschlossenes                  System                 Adiabat reversibel                                         adiabat irreversibel ∆ s q = ∆ s irr  = 0    S sys = konst               ∆ s q = 0  , ∆ s irr  > 0   d Ssys / dt  >  0 b)           stationär reversibles geschlossenes System 0 = ∑ S q i  >   Q zu / T zu  =  -  Q ab / T ab c) stationär offenes System s a – se                                =             ∆ s         =                            ∆ sq + ∆ sir Adiabat reversible                                                         Adiabat irreversibel M a * sa = m e * se                                                        ma * sa  >  m e * se 
  • carnotsche Faktor gibt an , welcher Anteil er Wärme , die einem System bei einer konstanten Temperatur zugeführt wird , maximal in Arbeit umwandelbar ist.  Zwangsweise notwendige Wärmeabfuhr an die Umgebung
  • Irreversibilität des Wärmeübergangs Wärme fließt immer vom heißen zum kälteren Medium  = irreversibler Vorgang  . Temperaturunterschiede gleichen sich aus . Gleichgewichte abgeschlossener Systeme haben stets maximale Entropie! 
  • Thermodynamische Temperatur Alle Systeme besitzen dieselbe Thermodynamische Temperatur T als integrierenden Nenner . der ihre Entropie s bestimmenden Differentiale  du + p dv  bzw. dh – vdp . Ist demnach der immer positive integrierende Nenner , welche die Entropie erst zu einer Zustandsgröße macht.
  • 6.2 Exergie und Anergie Entropie betrachtet stets nur einzelne Effekte -  mit Exergie und Anergie komplexe Systeme analysieren. Konzept : Beurteilung der Arbeitsfähigkeit Exergie : maximale Arbeitsfähigkeit eines Systems – Qualität  Anergie : Teil , welcher nicht in Nutarbeit umgewandelt werden kann. Thermodynamische Systeme besitzen gegenüber der Umgebung häufig ein best. Arbeitsvermögen , solange sich ihr Zustand unterscheidet. Arbeitsfähigkeit hängt vom Umgebungszustand ab. Die Exergie eines Systems ist positiv, wenn sie bei der Überführung in den Umgebungszustand Arbeit abzugeben vermag!   Exergie der Wärme sowie der Arbeits- und Energieformen   Ex w= - wt = T – Tu / T    * q  , an w =  q – ex w Wenn T = T u dann reine Anergie , wenn T -> ѳ dann nur Exergie .   Allgemein :  e xw =  - w t =  ⌠ T – Tu   /  T  d q