Thermodynamik

Unsere Gesellschaft beruht auf der Nutzung von Energie und Materie. Energie und Materie stehen uns als natürliche Ressourcen in ausreichender Menge zur Verfügung, allerdings nicht in den Formen, die wir benötigen. Die benötigten Formen müssen durch Energie- und Stoffumwandlungen aus natürlichen Ressourcen gewonnen werden. Die Planung und Optimierung technischer Energie- und Stoffumwandlungen ist in nahezu allen Prozessen unserer Industriegesellschaft von großer Bedeutung. Ihre vorrangigen Ziele sind die Schonung der natürlichen Rohstoffe und die Bereitstellung der gewünschten Energie- und Stoffformen mit einem Höchstmaß an Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit. Technikbereiche, in denen Energie- und Stoffumwandlungen eine vorrangige Rolle spielen, sind die Energietechnik und die Verfahrenstechnik. Die Energietechnik befasst sich mit der Erzeugung der gewünschten Energieformen aus den natürlichen Energiespeichern der Erde sowie ihren Umwandlungen ineinander. Gegenstand der Verfahrenstechnik ist die Produktion gewünschter Stoffformen aus den natürlichen Materiespeichern der Erde und ihre Umwandlung ineinander. Die Prozesse der Energie- und Verfahrenstechnik sind nicht unabhängig voneinander. Energieumwandlungen werden von Stoffumwandlungen begleitet und Stoffumwandlungen von Energieumwandlungen. Auch prinzipiell hängen Energie- und Stoffumwandlungen eng zusammen. Sie unterliegen gemeinsamen Naturgesetzen. Diese gemeinsamen Grundgesetze der Energie- und Stoffumwandlungen werden in der Thermodynamik formuliert.

Thermodynamische Systeme bestehen im Wesentlichen aus fluider Materie, d.h. aus Gasen und Flüssigkeiten. Die festen Berandungen und sonstigen maschinellen und apparativen festen Einbauten werden in der Regel durch die Wahl der Systemgrenzen von den thermodynamischen Betrachtungen ausgeschlossen. Im Mittelpunkt thermodynamischer Analysen von Energie- und Stoffumwandlungen steht daher das Verhalten fluider Materie. Insbesondere betrachten wir fluide Materie in Form von fluiden Phasen.

Es gehört zu den allgemeinen naturwissenschaftlichen Erkenntnissen, dass die Masse eines geschlossenen Systems erhalten bleibt¹. Aus einem offenen System, dem die Massenströme \({\dot m_1}\) und \({\dot m_2}\) zugeführt werden, muss dementsprechend im stationären Fall ein gleich großer Massenstrom \(\dot m\) wieder ausströmen, vgl. Abb. 3.1. Bei instationären Prozessen, z.B. dem in Abb. 3.2 gezeigten Füllen eines Behälters, muss die Zunahme oder Abnahme der Masse im System gleich dem Unterschied von zuströmendem und abströmendem Massenstrom sein. Massenbilanzen bzw., allgemeiner, Materiemengenbilanzen sind unverzichtbarer Bestandteil der thermodynamischen Analyse eines Prozesses.

Neben der Materiemengenbilanz steht als zweites Instrument zur thermodynamischen Analyse von Energie- und Stoffumwandlungen die Energiebilanz zur Verfügung. Energie ist wie Materie ein fundamentales physikalisches Konzept. Wir begegnen dem Phänomen Energie in unterschiedlichen Erscheinungsformen, sowohl als Eigenschaft einer Materiemenge wie auch als Erscheinung bei Wechselwirkungen eines Systems mit einem anderen. Der Energiebegriff ist daher vieldeutig und schwierig. Aus diesem Grund ist die Frage „Was ist Energie?“ nicht durch eine prägnante Definition umfassend zu beantworten. Eine solche Definition wird vielmehr jeweils individuell für jede der unterschiedlichen Energieformen angegeben. Insbesondere ist Energie nicht durch eine einfache Zahlenangabe mit zugehöriger Einheit ausreichend zu charakterisieren, da sie außer der Quantität auch eine Qualität besitzt. Unterschiedliche Energieformen sind bei gleicher Menge unterschiedlich wertvoll, vgl. Abschnitt 1.1.1.

Die Materiemengenbilanz und die Energiebilanz sind allgemeingültige Instrumente zur Analyse von Energie- und Stoffumwandlungen. Sie erlauben die Berechnung unbekannter Prozessdaten, schöpfen aber die naturgesetzlichen Einschränkungen, denen diese Prozesse unterliegen, noch nicht aus. Bereits bei der ersten Beschreibung der Energie- und Stoffumwandlungen auf der Grundlage alltäglicher Erfahrungen war uns ihre Unsymmetrie aufgefallen. Die Arbeit einer Bohrerwelle wird beim Bohren eines Loches in Wärme umgewandelt. Obwohl dabei keine Energie verloren geht, gelingt es nicht, mit dieser Wärme den Antrieb des Bohrers zu besorgen. Die Energie ist offenbar entwertet worden. Ganz analog sind die Erscheinungen bei der Umwandlung von elektrischer Arbeit in Wärme in einer elektrischen Heizung. Die dabei frei werdende Wärme lässt sich nicht wieder in die ursprünglich aufgewändete elektrische Arbeit zurückverwandeln. Dieses Phänomen der Entwertung bzw. Unsymmetrie bei Energieumwandlungen ist nicht auf die Umwandlung von Arbeit in Wärme beschränkt Auch bei den Kompressions- und Expansionsprozessen in einer Kolbenmaschine reicht die bei der Expansion gewonnene Arbeit nicht zum Umkehren des Prozesses aus. Und auch die kinetische Energie eines in einer Düse beschleunigten Luftstrahles reicht nicht zur Rekompression der Luft auf den ursprünglichen Druck in einem Diffusor aus. Energieumwandlungen laufen somit allgemein unsymmetrisch ab und entwerten Energie. Auch Stoffumwandlungen verlaufen unsymmetrisch. Die reinen Gase Sauerstoff und Stickstoff vermischen sich spontan zu Luft, aber das Gemisch ist nur unter Energiezufuhr und mit technologischem Aufwand in seine Komponenten zu trennen.

Eine zentrale Frage bei der Planung und Analyse von Energieumwandlungen ist die nach ihrer optimalen Gestaltung. Mit dem Begriff des reversiblen Prozesses, der ohne Entropieproduktion abläuft, haben wir einen Modellprozess für Energieumwandlungen geschaffen. Bei einer reversiblen Energieumwandlung bleibt nicht nur die Energiequantität sondern auch die Energiequalität erhalten, d.h. die Energieumwandlung verläuft ohne Energieentwertung.

Wie für Energieumwandlungen der reversible Prozess, so wird für Stoffumwandlungen der Gleichgewichtsprozess als Idealprozess der thermodynamischen Analyse zu Grunde gelegt. In abgeschlossenen Systemen ist der Gleichgewichtsprozess ein Ausgleichsprozess, der nach dem 2. Hauptsatz bis zum Zustand maximaler Entropie ungehemmt abläuft. Diesen Zustand nennt man das thermodynamische Gleichgewicht. Technisch relevante Prozesse laufen nicht in abgeschlossenen Systemen ab, sondern in solchen, die Energie- und Stofftransfer über die Systemgrenzen ermöglichen, also geschlossenen und insbesondere offenen Systemen. Das thermodynamische Gleichgewicht wird dann nicht durch das Maximum der Entropie, sondern durch Extremwerte anderer thermodynamischer Zustandsgrößen bestimmt. Der 2. Hauptsatz wird entsprechend umformuliert. In allen Systemen beschränkt das thermodynamische Gleichgewicht die Stoffumwandlungen. In realen Prozessen wird es häufig nicht erreicht, weil die Verweilzeit im Apparat und vielfältige Hemmungen dies verhindern. Dennoch ist es sinnvoll, sich mit dem Gleichgewichtsprozess als Modellprozess zu beschäftigen. Ähnlich wie der reversible Prozess für Energieumwandlungen ist auch der Gleichgewichtsprozess für Stoffumwandlungen vollständig berechenbar, beschreibt eine optimale oder zumindest maximale Umwandlung und erlaubt schließlich über Wirkungsgrade Rückschlüsse auf den realen Prozess.

Wir haben im 6. Kapitel reversible Energieumwandlungen als Idealmaßstab für reale Energieumwandlungen untersucht. Im 7. Kapitel wurden Stoffumwandlungen als Gleichgewichtsprozesse analysiert und damit in Hinblick auf den maximalen Grad der Umwandlung idealisiert. Allgemein sind nun Energieumwandlungen von Stoffumwandlungen und Stoffumwandlungen von Energieumwandlungen begleitet. Die technischen Wandlungsprozesse, auf denen unsere Zivilisation beruht, sind also kombinierte Energie- und Stoffumwandlungen. Sie nehmen Materie und Energie aus der Umgebung auf und geben sie in umgewandelter Form wieder an die Umgebung ab. Bereits in Abschnitt 1.1.4 hatten wir darauf hingewiesen, dass mit allen Wandlungsprozessen eine Entwertung von Energie und Materie verbunden ist. Dabei kann die Entwertung von Materie, wie sie sich z. B. in Abfallströmen darstellt, durch Energieaufwand prinzipiell rückgängig gemacht werden, z. B. beim Recycling. Dabei wird aber zusätzliche Energie von hochwertiger in minderwertige Form, z.B. Abwärme umgewandelt. Da mit Einsatz von Energie sowohl das Abfallproblem als auch die Begrenzung der Materieressourcen prinzipiell gelöst werden kann, Energie aber selbst eine begrenzte Ressource ist, hat die energetische Bewertung und Optimierung technischer Wandlungsprozesse eine besonders große Bedeutung.