Thermische Verfahrenstechnik (Fach) / Thermische Grundprozesse (Lektion)
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Vorlesung Stamminger SS 2015
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- Unterteilung der thermischen Grundprozesse in zwei Gruppen ohne Phasenänderung (Erwärmen, Abkühlen) mit Phasenänderung (Verdampfen, Kondensieren, Schmelzen, Erstarren, Sublimieren)
- Thermische Grundprozesse ohne Phasenänderung Erwärmen = Temperaturerhöhung eines Mediums Abkühlen = Temperaturerniedrigung eines Mediums Wärmeübertragung durch Wärmeleitung / Konvektion / Strahlung
- Thermische Grundprozesse mit Phasenänderung Darstellung im Phasendiagramm möglich Aggregatzustände = Phasen Phasenumwandlung = Übergang von einer Phase in eine andere. Dabei sprunghafte Veränderung physikalischer Eigenschaften (z.B. Dichte) Dampfdruckkurve --> Der Dampfdruck einer Flüssigkeit nimmt mit steigender Temperatur exponentiell zu
- im Phasendiagramm Sättigungsdampfdruckkurve (Trennung flüssiger von fester Phase, endet am kritischen Punkt. Oberhalb dieses Punktes existiert die flüssige Phase nicht mehr) Schmelzdruckkurve (Grenzlinie zwischen flüssiger und fester Phase) Sublimationsdruckkurve (Grenzlinie zwischen gasförmiger und fester Phase. Besonders wichtig bei Gefriertrocknung --> Sublimationstrocknung.)
- Tripelpunkt Alle drei Kurven des Phasendiagramms schneiden sich in diesem Punkt (Sättigungsdampfdruckkurve, Schmelzdruckkurve, Sublimationsdruckkurve) Hier können alle drei Phasen koexistieren dynamisches Gleichgewicht zwischen allen drei Phasen
- Ausdehnung fester/flüssiger Stoffe Durch Erwärmung dehnen sich Stoffe im allgemeinen aus, bei Abkühlung ziehen sie sich wieder zusammen. Gase Gase haben unabhängig von ihrer Art nahezu gleiche Ausdehnungskoeffizienten ideale Gase: p*V = m*R*T
- Energieübertragung am geschlossenen System Volumenänderungsarbeit Wv (reversible Verdichtung eines Gases) Innere Energie U (gesamte in einem System gespeicherte Energie) Wärme Q (nur aufgrund von Temperaturdifferenzen einem System zufließende oder abfließende Energie) Dissipationsenergie (durch äußere und innere Reibungsverluste zusätzlich im System auftretende Energie --> immer positiv)
- Entropie S 2. Hauptsatz der Thermodynamik: Wärme geht nie von selbst von einem System niedriger Temperatur zu einem höherer Temperatur
- Freie Energie F Freie Enthalpie G im geschlossenen System kann Gleichgewichtsbedingung durch zwei neue Größen beschrieben werden Freie Energie F und Freie Enthalpie G Spontane (freiwillige, irreversible) Prozesse verringern die freie Energie bzw. Enthalpie. Änderungen der Freien Energie/Enthalpie lassen sich als reversibel geleistete Arbeit interpretieren
- Der Carnotsche Kreisprozess findet in Wärmekraftmaschine, Wärmepumpe und Kältemaschine Anwendung rechtsläufig (Wärmekraftmaschine): bei hoher Temperatur wird Wärme aufgenommen, bei niedriger abgegeben Kleiner als die Wärmeaufnahme (positiv) bei hoher Temp. --> Arbeit muss abgeführt werden linksläufig (Wärmepumpe, Kältemaschine): Wärmeabgabe (negativ) bei hoher Temperatur größer als die Wärmeaufnahme (positiv) bei niedriger Temp. --> Arbeit muss zugeführt werden
- Wärmepumpe die beim Prozess abgeführte Wärme dient zur Beheizung eines Stoffes als Nutzen ist die bei höherer Temperatur abgegebene Wärmemenge zu betrachten die aufgenommene Wärmemenge steht aus der Umgebung oder aus Abwärme zur Verfügung
- Kältemaschine Zweck ist die Kühlung eines Systems, dem Wärme bei niedriger Temperatur entzogen wird Diese, der Kältemaschine bei niedriger Temperatur zugeführte Wärme ist der Nutzen des Prozesses