Thermodynamik

Bevor wir einige Grundbegriffe der Thermodynamik einführen, gehen wir kurz auf ihre geschichtliche Entwicklung ein und versuchen dann, die Frage zu beantworten: Was ist Thermodynamik? In den darauf folgenden Abschnitten definieren wir das thermodynamische System und behandeln seine Beschreibung durch Zustandsgrößen. Dabei führen wir den für die klassische Thermodynamik grundlegenden Begriff der Phase ein. Bei der daran anschließenden Behandlung der thermodynamischen Prozesse erhalten wir mit dem Prinzip der Irreversibilität eine erste Formulierung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik. Schließlich führen wir die Temperatur als die erste typisch thermodynamische Zustandsgröße ein.

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik bringt das Prinzip von der Erhaltung der Energie zum Ausdruck. Die Anwendung dieses Grundsatzes führt dazu, Energieformen, nämlich innere Energie und Wärme, zu definieren, die in der Mechanik nicht vorkommen In dieser Hinsicht erweitert die Thermodynamik den in der Mechanik behandelten Kreis von Erfahrungstatsachen, so daß sie zu einer allgemeinen Energielehre wird, wenn man auch elektrische, chemische und nukleare Energien einschließt.

Der 2. Hauptsatz macht Aussagen über die Ausführbarkeit von Prozessen. Wir haben ihn in Abschnitt 1.3.3 allgemein als Prinzip der Irreversibilität formuliert. Danach ist nicht jeder Prozeß ausführbar, und nicht alle Energieumwandlungen, die der 1. Hauptsatz zuläßt, sind möglich. Neben diesen Einschränkungen in der Ausführbarkeit von Prozessen ergeben sich aus dem 2. Hauptsatz Beziehungen zwischen den Zustandsgrößen von reinen Stoffen und Gemischen, nämlich eine enge Verknüpfung von thermischer und kalorischer Zustandsgleichung. Dies hängt mit der aus dem 2. Hauptsatz folgenden Existenz der thermodynamischen Temperatur zusammen, einer universellen, an kein Thermometer gebundenen Temperatur.

Will man die allgemeinen Beziehungen der Thermodynamik auswerten, so muß man die thermodynamischen Eigenschaften der Stoffe kennen, nämlich ihre spezifischen Volumina, Energien, Enthalpien und Entropien für gegebene Werte von Druck und Temperatur. Diese Eigenschaften sind in der thermischen, kalorischen und Entropie-Zustandsgleichung enthalten oder in einer Fundamentalgleichung zusammengefaßt, vgl. Abschnitt 3.2.2. Die genannten Materialgesetze müssen durch Messungen der Zustandsgrößen bestimmt werden, weil man nur in wenigen Fällen über zutreffende, molekulartheoretisch begründete Stoffmodelle verfügt, aus denen sich Zustandsgleichungen herleiten lassen, vgl. hierzu K. Lucas [4.1]. Die Thermodynamik kann über die Zustandsgleichungen nur insoweit Aussagen machen, als sie die ordnenden Beziehungen bereitstellt, die auf Grund des 2. Hauptsatzes zwischen den thermischen und kalorischen Zustandsgrößen einer Phase und für das Zweiphasen-Gleichgewicht bestehen.

In vielen Anwendungen der Thermodynamik treten nicht nur reine Stoffe, sondern Gemische aus mehreren Stoffen auf. Dies ist häufig in der Verfahrenstechnik der Fall, wo beispielsweise die Zerlegung von Gemischen in ihre reinen Komponenten eine große Rolle spielt. Wir behandeln zunächst Gemische, deren Komponenten chemisch nicht reagieren. Nach der Darstellung allgemeiner thermodynamischer Beziehungen in Abschnitt 5.1 gehen wir in den beiden folgenden Abschnitten auf einfache, aber wichtige Stoffmodelle ein: das ideale Gasgemisch, die ideale Lösung und das ideale Gas-Dampf-Gemisch. In Abschnitt 5.4 behandeln wir die Grundzüge der Thermodynamik realer Gemische mit dem Ziel, wichtige Begriffe einzuführen und ihre Anwendung auf die technisch bedeutsame Berechnung des Verdampfungsgleichgewichts zu zeigen.

Maschinen und Apparate in technischen Anlagen, z. B. Turbinen, Verdichter, Wärmeübertrager, Trockner, Verdampfer und Rektifizierkolonnen, werden von einem oder mehreren Stoffströmen meistens stationär durchflossen. Bei ihrer thermodynamischen Untersuchung schließen wir diese Anlagenteile in Kontrollräume ein und wenden die in den Abschnitten 2.3.2, 2.3.4 und 3.1.7 gewonnenen Beziehungen und Bilanzgleichungen für stationäre Fließprozesse an. Im folgenden vertiefen und erweitern wir die in den genannten Abschnitten enthaltenen Überlegungen und zeigen ihre Anwendung auf wichtige Prozesse der Energie- und Verfahrenstechnik.

Die Verbrennung gehört zu den wichtigen Verfahrensschritten bei der Umwandlung und Nutzung der in den fossilen Brennstoffen enthaltenen Primärenergie. Verbrennungsprozesse sind exotherme Oxidationsreaktionen, für die wir grundlegende Beziehungen bereits in den Abschnitten 5.5 und 5.6 gefunden haben. Wegen ihrer technischen Bedeutung behandeln wir die Verbrennungsreaktionen erneut und ausführlich, wobei die technischen Aspekte hinsichtlich ihrer Nutzung in Feuerungen und Verbrennungskraftanlagen im Vordergrund stehen.

Zur Stromerzeugung in großem Maßstab — 1997 wurden in Deutschland 548 • 10⁹ kWh elektrische Energie bei einer installierten Kraftwerksleistung von 120 GW erzeugt — setzt man überwiegend Wärmekraftwerke ein. Sie verwandeln die mit fossilen oder nuklearen Brennstoffen zugeführte Primärenergie zunächst in thermische Energie, die als Wärme einer Wärmekraftmaschine zugeführt wird. Ein elektrischer Generator verwandelt die von der Wärmekraftmaschine abgegebene Wellenarbeit in elektrische Energie.

Heizen und Kühlen sind Prozesse, die einem System Energie als Wärme zuführen oder entziehen, um seine von der Umgebungstemperatur abweichende Temperatur zu erhöhen, zu erniedrigen oder auf einem konstanten Wert zu halten. Wir behandeln zuerst die thermodynamischen Grundlagen des Heizens und Kühlens; wir gehen dann auf die Heizsysteme und einige Verfahren zur Kälteerzeugung ein.

Im folgenden behandeln wir die Größen zur quantitativen Erfassung von Materiemengen. Wir gehen dann auf die in der Thermodynamik gebräuchligen Einheiten ein und stellen schließlich einige Tabellen der thermodynamischen Eigenschaften wichtiger Stoffe zusammen.