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 bleibt⁴. Aus einem offenen System, dem die Massenströme \({\dot m_1}\) und \({\dot m_2}\) zugefiihrt 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, ebenso wie Materie, nicht durch eine einfache Zahlenangabe mit zugehöriger Einheit ausreichend zu charakterisieren, da sie außer der Quantität auch eine Qualität besitzt⁶. 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 Kompression- 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. Aus Wasserstoff und Sauerstoff entsteht spontan durch eine chemische Reaktion Wasser, aber Wasser ist nur unter Energiezufuhr und mit technologischem Aufwand in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Bei der Analyse von Energie- und Stoffumwandlungen müssen wir neben den Erhaltungsgesetzen von Materie und Energie auch ihre Unsymmetrie berücksichtigen. Es ist also erforderlich, die zunächst noch oberflächliche Beobachtung der Unsymmetrie von Energie- und Stoffumwandlungen als Naturgesetz quantitativ zu formulieren und damit ihre technischen Konsequenzen berechenbar zu machen.

Energieumwandlungen sind Prozesse, in denen Energieformen ineinander umgewandelt werden. Sie sind sehr vielfältig, lassen sich aber im Rahmen einer thermodynamischen Analyse in einheitlicher Weise beschreiben. Hierzu verwenden wir die Materiemengebilanz, die Energiebilanz und die Entropiebilanz, sowie die jeweils adäquaten Stoffmodelle zur Charakterisierung der beteiligten fluiden Phasen. In diesem Abschnitt betrachten wir einige ausgewählte Beispiele von Energieumwandlungen und erläutern an ihnen die thermodynamische Analyse.

Stoffumwandlungen sind Prozesse, in denen Stoffformen ineinander umgewandelt werden. Sie sind sehr vielfältig, lassen sich aber im Rahmen einer thermodynamischen Analyse in einheitlicher Weise beschreiben. Hierzu verwenden wir die Materiemengenbilanz und die Energiebilanz, sowie geeignete Stoffmodelle. Die Entropiebilanz wird zum Zweck einer energetischen Bewertung hinzugezogen. In diesem Kapitel betrachten wir einige ausgewählte Beispiele von Stoffumwandlungen und erläutern an ihnen die thermodynamische Analyse.