Technische Thermodynamik: Grundlagen & Prinzipien
Die Grundlagen der technischen Thermodynamik spielen eine wichtige Rolle bei der Schaffung einer besseren Welt durch die Verbesserung der Leistung von Anlagen, Geräten und ihrer Gesamtgestaltung.
Kritische Faktoren zur Bewertung der Leistung von Geräten sind Elemente wie der Ausstoß des Endprodukts, der Verbrauch von Rohmaterialien, die Produktionskosten und die Bewertung der Auswirkungen auf die Umwelt. Ingenieure nutzen heute das Konzept der Thermodynamik, um Dinge zu untersuchen und neu zu erfinden, die für die Sicherheit und den Komfort der Menschen bestimmt sind.
Die Wissenschaft der Thermodynamik existiert seit dem 19. Jahrhundert. Seitdem bemühen sich Wissenschaftler und Ingenieure ständig darum, sie so benutzerfreundlich wie möglich zu gestalten.
Grundlagen der Thermodynamik
Das Wort Thermodynamik leitet sich vom griechischen Wort "therme" (was Wärme bedeutet) und "dynamis" (was Kraft bedeutet) ab. Ingenieurwesen-Professionelle interessieren sich dafür, Systeme und ihre Wechselwirkung mit ihrer Umgebung zu studieren.
Konzepte/Definitionen, die in diesem Abschnitt verwendet werden, helfen Lesern, das Konzept der technischen Thermodynamik (manchmal auch als Wärme-Kraft-Technik bezeichnet) zu verstehen.
System, Umgebung und Universum
Ein System ist etwas, das wir studieren und interessant finden, daher ist der erste Schritt, das genaue Ziel des Systemstudiums festzulegen. Das Ziel des Systemstudiums kann die Verbesserung der Effizienz des Systems oder die Reduzierung von Verlusten usw. sein. Ein Beispiel für ein System könnte die Analyse des Kältekreislaufs in einer Kühlraumanlage oder die Analyse des Rankine-Kreislaufs in einem Kraftwerk sein.
Ein System wird definiert als eine bestimmte Masse reiner Substanz, die von einer geschlossenen oder flexiblen Oberfläche begrenzt ist; ähnlich kann die Zusammensetzung der Materie innerhalb des Systems je nach Zyklus fest oder variabel sein.
Die Abmessungen eines Systems müssen nicht konstant sein (wie Luft in einem Kompressor, die von einem Kolben komprimiert wird), sie können variabel sein (wie ein aufgeblasener Ballon). Die Materie, die extern mit dem System interagiert, wird als Umgebung bezeichnet, und das Universum ist das Ergebnis von System und Umgebung.
Das Element, das das System von seiner Umgebung trennt, wird als Grenze bezeichnet. Die Grenze des Systems kann fest oder in Bewegung sein.
Die Interaktion zwischen dem System und der Umgebung erfolgt durch Überqueren der Grenze und spielt daher eine sehr wichtige Rolle in der Thermodynamik (d.h. Wärme- und Krafttechnik).
Arten von Systemen in der Thermodynamik
Es gibt zwei grundlegende Arten von Systemen in der Thermodynamik:
Geschlossenes System oder Kontrollmasse: ist mit einer bestimmten Menge an Materie verbunden. Im Gegensatz zu einem offenen System tritt in einem geschlossenen System kein Massenfluss über die Grenzen des Systems auf. Es gibt auch eine spezielle Art von geschlossenem System, das keine Interaktion mit der Umgebung hat und isoliert ist, das als isoliertes System bezeichnet wird.
Kontrollvolumen (offenes System): Kontrollvolumen ist auf einen Raum begrenzt, durch den Masse und Energie fließen und die Grenzen des Systems überqueren können. Die Grenze eines offenen Systems wird als kontrollierte Oberfläche bezeichnet; diese kontrollierte Oberfläche kann real oder unreal sein.
Beispiele für Kontrollvolumina sind Ausrüstungsgegenstände, bei denen der Fluss von Masse die Grenzen des Systems überquert, wie der Wasserfluss durch Pumpen, der Dampfstrom in Turbinen und der Luftfluss durch Luftkompressoren.
Mikroskopische Thermodynamik
Der mikroskopische Ansatz in der Thermodynamik wird auch statistische Thermodynamik genannt und ist mit der Struktur der Materie verbunden. Das Ziel der statistischen Thermodynamik ist es, das durchschnittliche Verhalten der Teilchen, die das interessierende System bilden, zu charakterisieren und diese Informationen zu verwenden, um das makroskopische Verhalten des Systems zu beobachten.
Thermodynamische Eigenschaften, Zustände und Prozesse
Thermodynamische Eigenschaft
Eine thermodynamische Eigenschaft ist eine makroskopische Charakteristik eines Systems. Der Wert einer Eigenschaft kann zu jedem gegebenen Zeitpunkt ohne Kenntnis des vorherigen Werts und seines Verhaltens zugewiesen werden.
Extensive Eigenschaft
Eigenschaften, die von der Masse abhängig sind, werden als extensive Eigenschaften bezeichnet, und ihr Wert für das gesamte System ist die Summe ihrer Werte für die Teile, in die das System geteilt ist. Beispiele für extensive Eigenschaften sind Volumen, Energie und Masse. Extensive Eigenschaften hängen von der Größe eines Systems ab und können sich mit der Zeit ändern.
Intensive Eigenschaft
Im Gegensatz zu den extensiven Eigenschaften ist eine intensive Eigenschaft nicht massenabhängig und additiv in ihrer Natur und hängt nicht von der Gesamtgröße des Systems ab. Sie kann an verschiedenen Stellen innerhalb des Systems zu jedem Zeitpunkt variieren. Beispiele für intensive Eigenschaften sind Druck und Temperatur.
Thermodynamischer Zustand
Ein Zustand wird definiert als die Bedingung eines Systems, die am besten durch seine Eigenschaften beschrieben wird. Die in einem System eingeschlossene Masse kann in einer Vielzahl einzigartiger Bedingungen, genannt Zustand, vorkommen. Es gibt Beziehungen zwischen den Eigenschaften eines Systems, aber der Zustand kann angegeben werden, indem man den Wert einer Teilmenge der Eigenschaften bereitstellt.
Thermodynamischer Prozess
Thermodynamische Prozesse sind die Umwandlung eines Zustands in einen anderen. Wenn der Wert der makroskopischen Eigenschaft eines Systems zu zwei verschiedenen Zeiten identisch ist, dann befindet sich das System zu dieser Zeit im gleichen Zustand. Ein stationärer Zustand des Systems wird erreicht, wenn keine seiner Eigenschaften sich im Laufe der Zeit ändert.
Zyklus des Systemgleichgewichts
Ein thermodynamisches System-Gleichgewichtszustand ist ein sequentieller Prozess, der mit dem gleichen Zustand beginnt und endet. Wenn der Zyklus abgeschlossen ist, haben alle Eigenschaften den gleichen Wert, den sie am Anfang hatten. Alle regelmäßig wiederholenden Zyklen spielen in vielen Anwendungsbereichen eine wichtige Rolle, wie z.B. die Zirkulation von Kondensat in einer thermischen Stromerzeugungsanlage, die einen Zyklus ausführt.
Arbeitsstoff
Die Theorie der Materie hilft, das Konzept der Energie zu verstehen. Materie ist bekannt für ihre Masse, ihr Volumen und den Raum, den sie einnimmt, und unabhängig von ihrer Struktur und Natur hat sie bestimmte Eigenschaften wie Konsistenz und Zuverlässigkeit. Materie besteht aus einer großen Anzahl von Partikeln, die Moleküle genannt werden. Man findet feste, flüssige oder gasförmige Materie überall.
In fester Materie sind die Moleküle dicht beieinander und stark gebunden und können sich nicht frei bewegen. Daher ist eine große Kraft erforderlich, um ihre Form zu verändern.
Moleküle in flüssiger Materie sind nicht fest gebunden, und daher ist eine sehr kleine Kraft ausreichend, um die Moleküle zusammenzuhalten.
In einem gasförmigen Zustand bewegen sich die Moleküle zufällig und frei, als ob sie in einem ungebundenen Zustand wären, dann bewegen sie sich sehr schnell, unabhängig von ihren benachbarten Molekülen. Kompressibilität ist mit Gasen verbunden, die viele leere Räume zwischen den verbundenen Molekülen haben. Energie ist der Grund, warum Materie in verschiedenen Phasen existieren kann.
Reine Substanz
Material mit einer einzigen chemischen Struktur oder Homogenität in einer variantenchemischen Struktur wird als reine Substanz bezeichnet. Material kann in einer einzigen Phase wie Flüssigkeit existieren oder auch in mehr als einer Phase im Gleichgewicht miteinander. Eine gleichmäßige Mischung von Gasen mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung wird ebenfalls als reine Substanz bezeichnet.
Die Bedeutung der reinen Substanz liegt in der Bestimmung der Eigenschaften des Arbeitsstoffs unter verschiedenen Druck- und Temperaturbedingungen.
Beispiel: Für eine reine Substanz wie Wasser kann der Zustand vollständig durch zwei intensive Eigenschaften, Druck und Temperatur, beschrieben werden. Eine weitere reine Substanz ist Luft im gasförmigen Zustand. Für nicht homogene Substanzen sind jedoch mehr als zwei Eigenschaften erforderlich, um den Zustand zu beschreiben.
Thermodynamisches Gleichgewicht
In der Mechanik gilt, dass Gleichgewicht erreicht ist, wenn entgegengesetzte Kräfte ausgeglichen werden. Die Bedeutung des thermodynamischen Gleichgewichts ist jedoch anders und
